Кіріспе
Органикалық молекулалық құрылым. Гомоароматика – органикалық химияда конъюгация бір sp3 гибридтелген көміртек атомымен үзілген ароматиканың ерекше жағдайы. Бұл sp3 орталығы p орбиталдарының үздіксіз жабылуын бұзғанымен, дәстүрлі түрде ароматикалық болу үшін қажет деп есептелгеніне қарамастан, мұндай қосылыстар үшін айтарлықтай термодинамикалық тұрақтылық және ароматикалық қосылыстарға тән көптеген спектроскопиялық, магниттік және химиялық қасиеттер сақталады. Бұл формальді үзіліс p орбиталдарының жабылуы арқылы көпіршеленеді, осы сақталған химиялық тұрақтылыққа жауапты π электрондарының үздіксіз циклын қамтамасыз етеді. Гомоароматика концепциясын 1959 жылы Саул Уинштейн «трис гомоциклопропенил» катионын зерттеу нәтижесінде алғаш ұсынды. Уинштейннің жұмысы жарияланғалы бері көптеген зерттеулер осы молекулаларды түсінуге және жіктеуге бағытталды, олар ароматикалық анықтамасының үнемі кеңеюімен қамтылған ароматикалық молекулалардың қосымша класын құрайды. Бүгінгі күнге дейін гомоароматикалық қосылыстар катиондық және аниондық түрлерде кездесетіні белгілі, ал кейбір зерттеулер бейтарап гомоароматикалық молекулалардың бар екендігін растайды, бірақ олар сирек кездеседі. "Гомотропилий" катионы (C8H9+) – гомоароматикалық қосылыстардың ең көп зерттелген мысалы.
Homoaromaticity, in organic chemistry, refers to a special case of aromaticity in which conjugation is interrupted by a single sp3 hybridized carbon atom. Although this sp3 center disrupts the continuous overlap of p orbitals, traditionally thought to be a requirement for aromaticity, considerable thermodynamic stability and many of the spectroscopic, magnetic, and chemical properties associated with aromatic compounds are still observed for such compounds. This formal discontinuity is apparently bridged by p orbital overlap, maintaining a contiguous cycle of π electrons that is responsible for this preserved chemical stability. The concept of homoaromaticity was pioneered by Saul Winstein in 1959, prompted by his studies of the “tris homocyclopropenyl” cation. Since the publication of Winstein's paper, much research has been devoted to understanding and classifying these molecules, which represent an additional class of aromatic molecules included under the continuously broadening definition of aromaticity. To date, homoaromatic compounds are known to exist as cationic and anionic species, and some studies support the existence of neutral homoaromatic molecules, though these are less common. The 'homotropylium' cation (C8H9+) is perhaps the best studied example of a homoaromatic compound.
Атау беру
"Гомоароматикалық" термині гомоароматикалық қосылыстар мен әдебиетте бұрын байқалған ұқсас гомоконъюгацияланған алкендер арасындағы құрылымдық ұқсастықтан туындайды. Уинштейн кейіннен 3-бицикло[3.1.0]гексил катионының классикалық емес моделі бұрын жақсы зерттелген ароматты циклопропенил катионына ұқсас екенін байқады. Циклопропенил катионы сияқты, оң заряд екі π электроны бар үш теңдей көміртек атомына де локалданады. Осы электрондық конфигурация осылайша ароматикалық үшін Геккель ережесін (4n+2 π электронын талап етеді) қанағаттандырады. Дейін, Уинштейн осы ароматты пропенил катионы мен оның классикалық емес гексил катионы арасындағы жалғыз маңызды айырмашылықтың соңғы ионда конъюгацияның үш бөлікпен үзілуі екенін байқады. Сондықтан топ циклопропенил катионының трис-гомо аналогы ретінде "трис-гомоциклопропенил" деген атауды ұсынды.
Гомоароматикалық критерий
Ароматикалық критерий жаңа жетістіктер мен түсініктер осы ерекше тұрақты органикалық молекулаларды түсінуге үлес қоса отырып, дамыды. Осылайша, бұл молекулалардың қажетті сипаттамалары кейбір дау-дамайлардың тақырыбы болып қала берді. Классикалық түрде хош иісті қосылыстар (4n+2)π электрондарының циклдік түрде делокацияланған жүйесі бар, Геккель ережесін қанағаттандыратын жазық молекулалар ретінде анықталды. Ең бастысы, бұл конъюгациялық сақина жүйелері жергілікті резонанстық құрылымдарға негізделген болжауларға қатысты зор термохимиялық тұрақтылықты көрсетеді. Қысқаша айтқанда, ароматты қосылыстарды сипаттайтын үш маңызды ерекшелік бар: молекулалық құрылым (яғни копланарлық: барлық үлесалмақ беретін атомдар бір жазықтықта), молекулалық энергетика (яғни термодинамикалық тұрақтылықтың жоғарылауы) және спектроскопиялық және магниттік қасиеттер (яғни магнит өрісінің әсерінен туындаған сақиналық ток). Дегенмен, осы дәстүрлі ережелерге көптеген ерекшеліктер бар. Көптеген молекулалар, соның ішінде Мёбиус 4nπ электрон түрлері, перициклдік ауысу күйлері, сақина жазықтығында немесе σ (π емес) байланыстар арқылы дилокацияланған электрондар айналысатын молекулалар, көптеген ауысу металдарының «сэндвич» молекулалары және басқалары ароматикалық деп есептелді, бірақ олар қандай да бір жолмен ароматикалыққа қатысты дәстүрлі параметрлерден ауытқып кетеді. Осының салдарынан, гомоароматикалық делокализацияның критерийі де сондай екіұшты және біршама даулы болып қала береді. Гомотропилий катионы (C8H9+), гомоароматикалық қосылыстың бірінші мысалы болмаса да, гомоароматикалық деп жіктелетін қосылыстардың ең көп зерттелгені болып табылды, сондықтан гомоароматикалықтың классикалық мысалы саналады. 1980 жылдардың ортасына қарай гомотропилий катионының 40-тан астам алмастырылған туындылары туралы хабарланды, бұл осы ионның гомоароматикалық қосылыстарды түсінудегі маңыздылығын көрсетеді. Гомоароматикалыққа қатысты алғашқы дәлелдердің көп бөлігі осы молекуламен байланысты ерекше ЯМР қасиеттерін байқаудан алынған.
molecular structure (i. e. coplanarity: all contributing atoms in the same plane)
molecular energetics (i. e. increased thermodynamic stability)
spectroscopic and magnetic properties (i. e. magnetic field induced ring current)
A number of exceptions to these conventional rules exist, however. Many molecules, including Möbius 4nπ electron species, pericyclic transition states, molecules in which delocalized electrons circulate in the ring plane or through σ (rather than π) bonds, many transition metal sandwich molecules, and others have been deemed aromatic though they somehow deviate from the conventional parameters for aromaticity. Consequently, the criterion for homoaromatic delocalization remains similarly ambiguous and somewhat controversial. The homotropylium cation, (C8H9+), though not the first example of a homoaromatic compound ever discovered, has proven to be the most studied of the compounds classified as homoaromatic, and is therefore often considered the classic example of homoaromaticity. By the mid 1980s, there were more than 40 reported substituted derivatives of the homotropylium cation, reflecting the importance of this ion in formulating our understanding of homoaromatic compounds. Much of the early evidence for homoaromaticity comes from observations of unusual NMR properties associated with this molecule.
NMR спектроскопиялық зерттеулер
1H ЯМР спектроскопиясы арқылы циклооктатриенді депротондығаннан алынған қосылысты сипаттау кезінде топ, бір метилен көпірлі көміртекке байланысқан екі протонға сәйкес келетін резонанстың химиялық ығысудағы айқын айырмашылықты байқады. Осы байқаудан Pettit және авторлар циклооктатриенил катионының классикалық құрылымы дұрыс емес болуы керек деген қорытындыға келді. Олардың орнына, топ бицикло[5.1.0]октадиенил қосылысының құрылымын ұсынды, сегіз мүшелі сақинаның ішкі жағында орналасқан циклопропан байланысының айтарлықтай делокализацияға ұшырауы керек екенін болжады, осылайша байқалған химиялық ығысудың күрт айырмашылығы түсіндірілді. Әрі ойластырғанда, Pettit бұл қосылысты «гомотропилий ионы» ретінде бейнелеуге бейімделді, онда «ішкі циклопропан» байланысы электрондық делокализациямен толығымен алмастырылған. Бұл құрылым делокализацияның циклдік екенін және 6π электронды қамтитынын көрсетеді, бұл Хаккельдің ароматикалық ережесімен сәйкес келеді. ЯМР магниттік өрісі иондағы сақиналық ток тудыруы мүмкін, бұл метилен көпірінің экзо және эндо протондары арасындағы резонанстың айқын айырмашылығына жауапты. Pettit және авторлар осы қосылыстың және ароматтық тропилий ионының арасындағы ерекше ұқсастығын атап өтті, бұл Winstein болжағандай, бұрыннан белгілі ароматты түрге жаңа «гомо аналог» екенін көрсетті. Winstein және басқалар жүргізген келесі ЯМР зерттеулері гомотропилий ионымен металл карбонил кешендерінің қасиеттерін бағауға бағытталды. Молибден және темір кешендерін салыстыру ерекше нәтижелі болды. Молибден трикарбонилінің гомотропилий катионымен 6π электронды қабылдап координациялануы күтілді, осылайша кешеннің гомоароматикалық ерекшеліктерін сақтап қалуға болады. Керісінше, темір трикарбонилінің гомотропилий ионынан тек 4π электронды қабылдап, катионмен координациялануы күтілді, нәтижесінде катион электрондары локализацияланған кешен пайда болады. Бұл кешендерді 1H ЯМР спектроскопиясымен зерттеулер гомоароматтық құрылымға сәйкес Mo кешенінің метилен протондарының химиялық ығысу мәндерінде үлкен айырмашылықты көрсетті, бірақ Fe кешеніндегі бірдей протондардың резонансында ондай айырмашылық байқалмады.
УФ-спектроскопиялық зерттеулер
Молекуланың магниттік қасиеттеріне сүйенбеген гомотропилий катионының құрылымын қолдайтын маңызды ерте сақталған дәлел – оның УФ спектрін алу болды. Winstein және авторлар гомотропилий катионының сіңіру максимумдары классикалық циклооктатриенил катионына немесе толыққанды қалыптасқан ішкі циклопропан байланысы (және локалданып орналасқан электрондық құрылымы) бар бицикло[5.1.0]октадиенил қосылысы үшін күтілетінге қарағанда едәуір қысқа толқын ұзындығын көрсетті. Керісінше, УФ спектрі ароматты тропилий ионына көбірек ұқсады. Одан әрі жүргізілген есептеулер Winstein-ге метилен көпіріне жақын екі көміртек атомы арасындағы байланыс реті тропилий катионындағы сәйкес көміртек атомдарын бөлетін π байланысымен салыстырылатынын анықтауға мүмкіндік берді. Бұл тәжірибе өте маңызды болғанымен, УФ спектрлері әдетте ароматикалық немесе гомоароматикалық қасиеттердің нашар индикаторлары болып саналады.
Молекулалық орбитальдық теорияның бұзылуы
Гомоароматикалықты Роберт С. Хаддонның 1975 жылғы зерттеуінде сипатталғандай, Пертурбациялық молекулалық орбиталық теория (PMO) арқылы жақсы түсіндіруге болады. Гомотропенил катионы бастапқы катионның резонансына бөгет жасайтын гомоконъюгациялық байланыстың қосылуынан туындаған тропенил катионының өзгертілген түрі ретінде қарастырылуы мүмкін.
Бірінші реттік әсерлер
Гомоароматтық қасиеттерге ең үлкен әсер ететін фактор – бастапқы ароматтық қосылысқа бір гомоконъюгат байланысының енгізілуі. Гомоконъюгат байланысының орналасуы маңызды емес, себебі барлық гомоароматты түрлерді барлық көміртектерінде симметрия және тең байланыс реті бар ароматтық қосылыстардан тудыруға болады. Гомоконъюгат байланысының енгізілуі π электрондық тығыздықты δβ шамасына өзгертеді, бұл сақина мөлшеріне байланысты 0-ден артық және 1-ден кем болуы керек, мұнда 0 – өзгеріс болмауын, ал 1 – ароматикалық қасиеттің толық жоғалуын (ашық тізбектің түрімен тең тұрақсыздануын) көрсетеді.
Екінші гомоконъюгат байланысы
Гомоароматикалық Perturbation Molecular Orbital моделіне екіінші реттік әсер екінші гомоконъюгат байланысының қосылуы және оның тұрақтылыққа тигізетін әсері болып табылады. Бұл әсер көбінесе бір гомоконъюгат байланысын қосу нәтижесінде туындайтын тұрақсыздықтың екі есеге артуына алып келеді, бірақ екі байланыстың жақындығына байланысты қосымша шарт бар. δβ-ны азайту және байланыс мүшесін ең төмен деңгейде ұстау үшін бисомоароматикалық қосылыстар резонанс арқылы ең жоғары тұрақтылыққа және ең аз стерикалық кедергіге ие конформацияға сәйкес қалыптасады. Цис бицикло[6.1.0]нона 2,4,6 триенді протонмен қосу арқылы 1,3 бисомотропенилий катионын синтездеу теориялық есептеулермен сәйкес келеді және 1-ші және 3-ші көміртек атомдарында екі метилен көпірін қалыптастыру арқылы тұрақтылықты арттырады. Гомотропилий катионынан басқа, тағы бір жақсы зерттелген катиондық гомоароматикалық қосылыс – norbornen 7-ил катионы, ол теориялық және тәжірибелік тұрғыдан гомоароматикалық екені дәлелденген. σ бисомоароматикасының қызықты мысалы пагодандардың дикацияларында кездеседі. Бұл 4 орталық 2 электрондық жүйелердегі делокализация төрт көміртек атомымен анықталатын жазықтықта жүзеге асады (σ ароматикалық құбылысының прототипі – циклопропан, ол бұл әсерден шамамен 11,3 ккал/моль тұрақтылыққа ие болады). Дикациялар пагоданды немесе сәйкес bis seco dodecahedradiene тотықтыру арқылы алуға болады: сәйкес алты электронды дианиондарды тотықтыру әзірге мүмкін емес.
Reduction of the corresponding six electrons dianions was not possible so far.
Бейтарап хомоароматикалық заттар
Бейтарап гомоароматикалық қосылыстардың көптеген кластары бар, бірақ олардың шынымен гомоароматикалық сипатқа ие екендігіне қатысты көптеген пікірталастар бар. Бейтарап гомоароматиктердің бір класы моногомоароматиктер деп аталады, олардың бірі – циклогептатриен, және көптеген күрделі моногомоароматиктер синтезделген. Мысал ретінде 60 көміртекті фуллероид туындысын келтіруге болады, онда бір метилен көпіршесі бар. Көк сәуле және ЯМР талдаулары осы өзгертілген фуллероидтың хомоконъюгациялық байланысы қосылған кезде оның гомоароматикалық сипаты бұзылмайтынын көрсетті, сондықтан бұл қосылыс нақты гомоароматикалық болып табылады. 2023 жылы орнына қойылған бейтарап барбаралан туындылары (гомоаннулендер) тұрақты негіздік күйдегі гомоароматикалық молекулалар ретінде жарияланды. Бұл кластағы молекулалардың гомоароматикалық сипатын дәлелдейтін факторлар – байланыс ұзындығының талдауы (Х-сәулелік құрылымдық талдау) және ЯМР спектріндегі ығысулар. Гомоаннулендер сонымен қатар фотоауыстырғыштар ретінде де әрекет етеді, олардың көмегімен жергілікті 6π гомоароматикалықтан жаһандық 10π гомоароматикалыққа ауысуға болады.
Бишомоароматикалық заттар
Бейтарап хомоароматиктердің ең жақсы мысалдары баррелин және семибулвален сияқты бишомоароматиктер деп ұзақ уақыт саналып келді. Алғаш рет 1966 жылы синтезделген семибулваленнің құрылымы гомоароматикалық қасиеттерге ие болуға мүмкіндік береді, бірақ семибулвален туындылары шынайы делокальданған, негізгі күйдегі бейтарап хомоароматикалық қосылысты құрай ма, жоқ па деген пікірталас көп болды. Семибулваленді электрон беретін және қабылдайтын топтармен алмастыру арқылы делокальданған өтпелі құрылымды одан әрі тұрақтандыруға тырысқанда, бұл қайта құрылымданудың белсендіру кедергісін төмендетуге болады, бірақ оны жоюға емес. Дегенмен, молекулаға сақиналық кернеуді енгізу арқылы, циклдік аннуляцияларды стратегиялық түрде қосу арқылы жергілікті негізгі күйдегі құрылымды тұрақсыздандыруға бағытталғанда, делокальданған гомоароматикалық негізгі күйдегі құрылымға қол жеткізуге болады. Бейтарап хомоароматиктердің ішінде бейтарап хомоароматикалық қасиеттерін ең жақсы көрсететін қосылыстар – 1,2 диборетан және оның туындыларындағы борлы қосылыстар. Ауыстырылған диборетандардың делокальданған күйі жергілікті күйге қарағанда әлдеқайда тұрақты екені көрсетілді, бұл гомоароматикалық қасиеттердің айқын белгілерін береді. Электрон беретін топтар екі бор атомына қосылғанда, қосылыс жергілікті байланыстармен классикалық модельді ұстанады. Гомоароматикалық сипаттама электронды тартып алатын топтар бор атомдарына қосылғанда жақсы көрінеді, бұл қосылыстың классикалық емес, делокальданған құрылымды қабылдауына себеп болады.
Тришомоароматикалық заттар
Атауынан көрініп тұрғандай, тришомароматиктер бишомароматиктерге қарағанда бір метилен көпірше артық болады, демек, оларда осы гомоконъюгат көпіршелердің барлығы үш. Семибуллвален сияқты, тришомароматиктердің гомоароматтық қасиеттерінің дәрежесі де әлі де көп дау тудырып отыр. Теория бойынша олар гомоароматты болғанымен, бұл қосылыстардың электрондық деңгейдегі таралуынан (делокализациясынан) туындаған тұрақтандыруы бензолдың 5% аспайды.
Анионды гомоароматикалық заттар
Бейтарап гомоароматикалық қосылыстардан өзгеше, аниондық гомоароматикалар "нағыз" гомоароматикалық екені кеңінен қабылданады. Бұл аниондық қосылыстар көбінесе литий металды төмендету арқылы бейтарап түпкілікті қосылыстардан дайындалады. 1,2-диборетанид туындылары үш атомдық (бор, бор, көміртек) екі электрондық байланыс арқылы күшті гомоароматикалық сипат көрсетеді, онда бейтарап классикалық аналогқа қарағанда қысқа C-B байланыстары бар. Бұл 1,2-диборетанидтер әртүрлі топтармен үлкен сақиналарға дейін кеңейтілуі мүмкін және олардың барлығы белгілі бір дәрежеде гомоароматикалық болады. Аниондық гомоароматикалық дианиондық бис-диазен қосылыстарында да байқалады, онда төрт атом (төрт азот) және алты электрондық орталық бар. Эксперименттік нәтижелер трансанулярлық азот-азот қашықтығының қысқаруын көрсетті, демек дианиондық бис-диазен аниондық бисомароматикалық қосылыстың бір түрі екенін дәлелдейді. Бұл жүйелердің ерекшелігі – циклдық электрондық делокализация төрт азотпен анықталған σ жазықтықта жүреді. Сондықтан бұл бис-диазен дианиондары 4 орталықты 6 электрондық σ бисомароматикасының алғашқы мысалдары болып табылады. Сәйкес 2 электрондық σ бисомароматикалық жүйелер пагодандар дикациялары түрінде іске асырылды (жоғарыда қараңыз).
Антигомоароматикалық
Сонымен қатар, антигомоароматикалық қосылыстар туралы хабарламалар да бар. Ароматты қосылыстар ерекше тұрақтылық көрсететіндей, Геккель ережесінен ауытқып, 4n π электронынан тұратын жабық циклға ие антиароматты қосылыстар салыстырмалы түрде тұрақсыз. Көпірлі бицикло[3.2.1]окта-3,6-диен-2-ил катионында тек 4 π электроны бар, сондықтан ол "бигомоантиароматты". Теориялық есептеулер сериясы оның тиісті аллиль катионынан кем тұрақты екенін растайды. Сол сияқты, алмастырылған бицикло[3.2.1]окта-3,6-диен-2-ил катионы (2-(4'-фторфенил)бицикло[3.2.1]окта-3,6-диен-2-ил катионы) да, теориялық есептеулермен және ЯМР талдауымен расталған, тиісті аллиль катионымен салыстырғанда антиаромат екені көрсетілді.