Введение

Принцип Кёртина-Хаммета — это принцип химической кинетики, предложенный Дэвидом Яроу Кёртином и Луи Плаком Хамметом. Он утверждает, что для реакции, включающей пару реакционноспособных интермедиатов или реагентов, которые быстро взаимопревращаются (что обычно наблюдается для конформационных изомеров), каждый из которых необратимо превращается в различный продукт, соотношение продуктов будет зависеть как от разницы энергий между двумя конформерами, так и от энергетических барьеров перехода от каждого из быстро уравновешивающихся изомеров к соответствующим продуктам. Иными словами, распределение продуктов отражает разницу энергий между двумя лимитирующими стадию переходными состояниями. В результате, распределение продуктов не обязательно будет соответствовать равновесному распределению этих двух интермедиатов. Принцип Кёртина-Хаммета используется для объяснения селективности в разнообразных стерео- и региоселективных реакциях. Связь между (кажущимися) константами скорости и константой равновесия известна как уравнение Уинштейна-Холнесса.

Определение

Принцип Кёртина — Хаммета применим к системам, в которых различные продукты образуются из двух субстратов, находящихся в равновесии друг с другом. Быстро взаимопревращающиеся реагенты могут иметь любые взаимосвязи (стереоизомеры, конституционные изомеры, конформационные изомеры и т. д.). Образование продукта должно быть необратимым, а различные продукты не должны быть способны к взаимному превращению. Это недопонимание может возникать из-за неучета различия между "разностью энергий активации" и "разностью энергий переходного состояния". Хотя эти величины могут показаться синонимичными, последняя учитывает константу равновесия для взаимопревращения A и B, в то время как первая — нет. Математически отношение продуктов может быть выражено как функция K, k1 и k2 или в терминах соответствующих энергий ΔG°, ΔG1‡ и ΔG2‡. Комбинируя члены уравнения, отношение продуктов можно переписать, используя только величину ΔΔG‡, где ΔΔG‡ = (ΔG2‡ – ΔG1‡) + ΔG°. Анализ энергетической диаграммы (приведенной выше) показывает, что ΔΔG‡ представляет собой именно разность энергий переходного состояния.

Классы реакций под контролем Кёртина-Хаммета

Принцип Кёртина-Гаммета объясняет три основных класса реакций: либо более стабильный, либо менее стабильный конформер может реагировать быстрее, либо оба могут реагировать с одинаковой скоростью.

Случай I: более стабильный конформер реагирует быстрее

Одна категория реакций, находящихся под контролем Кёртина-Гаммета, включает превращения, в которых более стабильный конформер реагирует быстрее. Это происходит, когда переходное состояние, ведущее от основного промежуточного соединения к соответствующему продукту, имеет более низкую энергию, чем переходное состояние, ведущее от минорного промежуточного соединения к другому возможному продукту. Основной продукт образуется из основного конформера, и распределение продуктов не соответствует распределению конформеров в состоянии равновесия.

Пример: окисление пиперидина

Пример сценария Кёртина — Гаммета, в котором более стабильный конформационный изомер реагирует быстрее, наблюдается при окислении пиперидинов. В случае N-метилпиперидина инверсия у атома азота между диастереомерными конформерами происходит значительно быстрее, чем скорость окисления амина. Конформация, в которой метильная группа находится в экваториальном положении, стабильнее осевой на 3,16 ккал/моль. Соотношение продуктов 95:5 указывает на то, что более стабильный конформер является основным предшественником целевого продукта.

Случай II: менее стабильный конформер реагирует быстрее

Вторая категория реакций, находящихся под контролем Кёртина-Гаммета, включает в себя реакции, в которых менее стабильный конформер реагирует быстрее. В этом случае, несмотря на энергетическое предпочтение менее реакционноспособного вида, основной продукт образуется из вида с более высокой энергией. Важным следствием является то, что продукт реакции может образовываться из конформера, концентрация которого настолько низка, что он не обнаруживается в основном состоянии.

Пример: алкилирование тропаном

Алкилирование тропанов метилиодидом является классическим примером сценария Кёртина — Хаммета, в котором основной продукт может образовываться из менее стабильной конформации. Следовательно, конформационное распределение в основном состоянии не соответствует распределению продуктов.

Случай III: оба конформера реагируют с одинаковой скоростью

Гипотетически возможно, что два различных конформера, находящиеся в равновесии, могут реагировать через переходные состояния с одинаковой энергией. В этом случае селективность продукта будет определяться исключительно распределением конформеров в основном состоянии. При этом оба конформера будут реагировать с одинаковой скоростью.

Пример: реакция SN2 циклогексил-йодида

Эрнест Л. Элиэль предположил, что гипотетическая реакция циклогексилйодида с радиоактивно меченым йодидом приведет к полностью симметричному переходному состоянию. Поскольку как экваториальный, так и аксиальный замещенные конформеры будут реагировать через одно и то же переходное состояние, ΔΔG‡ будет равно нулю. В соответствии с принципом Кёртина-Хамметта, распределение продуктов должно составлять 50% аксиально замещенных и 50% экваториально замещенных. Однако обратимость реакции исключает возможность наблюдения этого явления. Конформер, в котором A(1,3)-напряжение минимизировано, находится в состоянии с минимальной энергией, что обеспечивает селективность 99:1 в основном состоянии. Однако энергии переходного состояния зависят как от наличия A(1,3)-напряжения, так и от стерических затруднений, связанных с входящим метильным радикалом. В данном случае эти два фактора действуют в противоположных направлениях, и разница в энергиях переходного состояния невелика по сравнению с разницей в энергиях основного состояния. В результате наблюдается низкая общая селективность реакции.

Применение к стереоселективным и регионально-селективным реакциям

Принцип Кёртина-Гаммета используется для объяснения селективности в некоторых стереоселективных реакциях.

Применение к динамическому кинетическому разрешению

Принцип Кёртина–Хаммета объясняет наблюдаемую динамику в реакциях, использующих динамическое кинетическое разрешение, таких как асимметричное гидрирование Нойори и энантиоселективное литирование. В соответствии с принципом Кёртина–Хаммета, соотношение продуктов определяется абсолютной величиной энергетического барьера необратимой стадии реакции и не отражает равновесное распределение конформаций субстрата. Относительный профиль свободной энергии для одного из примеров асимметричного гидрирования Нойори представлен ниже:

Энантиоселективная лития

Динамическое кинетическое разрешение в условиях Кёртина-Гаммета также было применено к энантиоселективным реакциям литирования. В описанной ниже реакции было установлено, что энантиоселективность продукта не зависела от хиральности исходного вещества. Использование (-) спартеина необходимо для достижения энантиоселективности, поскольку в его отсутствие образуется рацемическая смесь. Наблюдалось, что энантиоселективность остаётся постоянной на протяжении всей реакции, что свидетельствует об установлении равновесия между двумя комплексами алкиллития. Если бы два реагирующих комплекса не подвергались бы быстрой взаимоконверсии, энантиоселективность со временем снижалась бы по мере истощения более реакционноспособного конформера.

Применение к регионально-селективной ацилированию

Принцип Кёртина-Гаммета был использован для объяснения региоселективности в ацилировании 1,2-диолов. Как правило, менее затрудненный участок асимметричного 1,2-диола этерифицируется быстрее из-за снижения стерических препятствий между диолом и ацилирующим реагентом. Разработка селективной этерификации наиболее замещенной гидроксильной группы является полезной трансформацией в синтетической органической химии, особенно в синтезе углеводов и других полигидроксилированных соединений. Станиленовые ацетали используются для эффективного осуществления этой трансформации. Асимметричный диол сначала обрабатывают реагентом олова с образованием дибутилстанниленового ацеталя. Затем это соединение обрабатывают одним эквивалентом ацилхлорида, получая моноэстер стенила. Доступны два изомера стенилового эфира, которые могут быстро взаимопревращаться через тетраэдрический интермедиат. Первоначально преобладает менее стабильный изомер, поскольку он образуется быстрее из станиленового ацеталя. Однако, позволяя двум изомерам достичь равновесия, получается избыток более стабильного первичного алкоксистанана в растворе. Затем реакцию необратимо останавливают, при этом менее затрудненный первичный алкоксистаннан реагирует быстрее. Это приводит к селективному образованию более замещенного моноэстера. Это сценарий Кёртина-Гаммета, в котором более стабильный изомер также реагирует с большей скоростью.

Применение к асимметричному эпоксидированию

Эпоксидация асимметричных алкенов также изучалась как пример кинетики Кёртина — Гаммета. В ходе вычислительного исследования диастереоселективного эпоксидирования хиральных аллиловых спиртов комплексами пероксититана была вычислена разница в энергиях переходных состояний между двумя конформерами, составившая 1,43 ккал/моль. Экспериментально наблюдаемое соотношение продуктов составило 91:9 в пользу продукта, образованного из переходного состояния с более низкой энергией. Это соотношение продуктов согласуется с вычисленной разницей в энергиях переходных состояний. Этот пример демонстрирует, что конформер, более стабильный в основном состоянии и испытывающий меньшее A(1,3)-напряжение, реагирует через переходное состояние с более низкой энергией, образуя основной продукт.

Синтез AT2433-A1

Принцип Кёртина-Гаммета был использован для объяснения селективности в различных синтетических путях. Один пример наблюдается при синтезе противоопухолевого антибиотика AT2433 A1, где циклизация типа Манниха протекает с отличной региоселективностью. Исследования показывают, что стадия циклизации является необратимой в используемом растворителе, что позволяет предположить, что кинетика Кёртина-Гаммета объясняет селективность образующегося продукта.

Синтез капакаинов B и F

Сценарий Кёртина–Хаммета был применен для объяснения селективности в синтезах капакаинов B и F – двух циклических пептидов, выделенных из морских губок. Структура каждого из этих двух соединений содержит скрученный 16-членный макроцикл. Ключевым этапом в синтезах является селективное формирование амидной связи для получения целевого макроцикла. В энантиоселективном синтезе капакаинов B и F, разработанном Филом Бараном, было предложено, что образование макроцикла происходит через два изомера субстрата. Более легкодоступный, изомер с более низкой энергией, приводил к образованию нежелательного продукта, в то время как менее стабильный изомер формировал желаемый продукт. Однако, поскольку стадия формирования амидной связи была необратимой, а энергетический барьер для изомеризации был низким, основной продукт получался из более быстро реагирующего интермедиата. Это пример сценария Кёртина–Хаммета, в котором менее стабильный интермедиат значительно более реакционноспособен, чем более стабильный интермедиат, преобладающий в растворе. Поскольку изомеризация субстрата протекает быстро, в ходе реакции избыток субстрата в более стабильной форме может быть преобразован в менее стабильную форму, которая затем быстро и необратимо формирует амидную связь, приводя к образованию целевого макроцикла. Эта стратегия позволила получить желаемый продукт с селективностью >10:1. (Полагаю, в схеме есть ошибка. См. страницу обсуждения.)

Синтез (+) -гризофулвина

В первом энантиоселективном синтезе (+) гризеофулвина, мощного противогрибкового средства, наблюдалась ситуация Куртина–Хэммета. Ключевым этапом синтеза является родий-катализируемое образование оксониевого илида, который затем претерпевает [2,3]-сигматропную перегруппировку на пути к целевому продукту. Однако субстрат содержит две ортоалкоксигруппы, и каждая из них потенциально может участвовать в образовании оксониевого илида. Достижение высокой селективности в отношении целевого продукта оказалось возможным благодаря различиям в энергиях активации следующей за образованием илида стадии. Если образование оксониевого илида происходит с участием ортометоксигруппы, то последующее 1,4-метильное смещение может привести к образованию нежелательного продукта. Оксониевый илид, образованный из другой ортоалкоксигруппы, склонен к [2,3]-сигматропной перегруппировке с образованием целевого соединения. Пиррунг и его коллеги сообщили о полной селективности в пользу целевого продукта по сравнению с продуктом, образующимся в результате 1,4-метильного смещения. Этот результат указывает на то, что образование оксониевого илида является обратимым процессом, а последующая стадия – необратимой. [2,3]-Сигматропная перегруппировка, допустимая благодаря симметрии молекулы, должна протекать по пути с более низкой энергией активации, чем 1,4-метильное смещение, что объясняет исключительное образование целевого продукта.

Синтез (+) -аллоциатина B2

Потенциальный сценарий Кёртина — Хаммета также был обнаружен в ходе энантиоселективного полного синтеза (+) аллоциатина B2 группой Троста. Ключевым этапом синтеза стала диастереоселективная циклоизомеризация, катализируемая Ru. Реакция могла приводить к образованию двух возможных изомеров двойной связи. Реакция демонстрировала хорошую селективность в отношении желаемого изомера, что согласуется со сценарием Кёртина — Хаммета. Первоначальное окислительное циклорутенирование и β-гидридное элиминирование приводят к образованию гидрида винилрутения. Внедрение гидрида облегчает изомеризацию алкена. Вряд ли исход реакции отражает стабильность промежуточных соединений, поскольку объемная группа CpRu испытывает неблагоприятные стерические взаимодействия с находящейся поблизости изопропильной группой. Вместо этого применим сценарий Кёртина — Хаммета, в котором изомер, благоприятный в равновесии, не является основным продуктом. Редуктивная элиминация предпочтительна для более реактивного, менее стабильного промежуточного соединения, поскольку снятие напряжения максимизируется в переходном состоянии. Это приводит к образованию желаемого изомера двойной связи.