الحث غير المتماثل

تنص قاعدة كرام للحث غير المتماثل، المنسوبة إلى دونالد ج. كرام، على أنه في بعض التفاعلات غير التحفيزية، يسود أحد المتصاوغات الفراغية، والذي قد يتشكل نتيجة اقتراب المجموعة الداخلة من الجانب الأقل إعاقة فراغية، عندما يكون التكوين الدوراني لرابطة الكربون-كربون بحيث تكون الرابطة المزدوجة محاطة بمجموعتين من أصغر المجموعات المرتبطة بالمركز غير المتماثل المجاور. ^{[ 3 ]} تشير القاعدة إلى أن وجود مركز غير متماثل في جزيء ما يحفز تكوين مركز غير متماثل مجاور له بناءً على الإعاقة الفراغية ( المخطط 1 ).

تضمنت التجارب تفاعلين. في التجربة الأولى، تم تفاعل 2-فينيل بروبيونالدهيد ( 1 ، راسيمي ولكن تم عرض (R)-إينانتيومر) مع كاشف غرينيارد بروميد فينيل المغنيسيوم لإنتاج 1،2-ثنائي فينيل-1-بروبانول ( 2 ) كمزيج من المتصاوغات الفراغية ، وخاصة المتصاوغ ثريو (انظر إلى إسقاط فيشر للتوضيح ).

يمكن تفسير تفضيل تكوين متصاوغ ثريو بالقاعدة المذكورة أعلاه من خلال وجود النيوكليوفيل النشط في هذا التفاعل الذي يهاجم مجموعة الكربونيل من الجانب الأقل إعاقة (انظر إسقاط نيومان أ ) عندما يتم وضع الكربونيل في تكوين متداخل مع مجموعة الميثيل وذرة الهيدروجين ، وهما أصغر بديلين مما يخلق الحد الأدنى من الإعاقة الفراغية ، في اتجاه غوش ومجموعة الفينيل كأكبر مجموعة في التكوين المضاد .

التفاعل الثاني هو الاختزال العضوي لمركب 1،2-ثنائي فينيل-1-بروبانون 2 باستخدام هيدريد الليثيوم والألومنيوم ، والذي ينتج عنه نفس ناتج التفاعل السابق، ولكن مع تفضيل متصاوغ الإريثرو ( 2a ). في هذه الحالة، يكون أيون الهيدريد (H⁻ ⁾ هو النيوكليوفيل الذي يهاجم من الجانب الأقل إعاقة فراغية (تخيل دخول الهيدروجين من سطح ورقي).

يتنبأ نموذج فيلكين (1968)، نسبةً إلى هيو فيلكين، بالكيمياء الفراغية لتفاعلات الإضافة النيوكليوفيلية إلى مجموعات الكربونيل . ^{[ 4 ]} جادل فيلكين بأن نموذج كرام يعاني من عيب رئيسي: وهو وجود شكل محجوب في الحالة الانتقالية بين بديل الكربونيل (ذرة الهيدروجين في الألدهيدات) وأكبر بديل α-كربونيل. وقد أثبت أنه بزيادة الحجم الفراغي لبديل الكربونيل من ميثيل إلى إيثيل إلى أيزوبروبيل إلى ثالثي بوتيل ، تزداد الانتقائية الفراغية أيضًا، وهو ما لا تتنبأ به قاعدة كرام.

قواعد فيلكين هي:

• الحالات الانتقالية تشبه المتفاعلات.
• يمثل الإجهاد الالتوائي (إجهاد بيتزر) الذي يشمل الروابط الجزئية (في الحالات الانتقالية) جزءًا كبيرًا من الإجهاد بين الروابط المتكونة بالكامل، حتى عندما تكون درجة الترابط منخفضة جدًا. يكون التكوين في الحالة الانتقالية متداخلًا وليس محجوبًا، مع انحراف المجموعة البديلة R بالنسبة لمجموعتين متجاورتين، إحداهما أصغر ما يمكن في الحالة الانتقالية A.

للمقارنة، TS B هي حالة الانتقال كرام.

• تتضمن التفاعلات الفراغية الرئيسية تلك المحيطة بـ R والنيوكليوفيل ولكن ليس ذرة الأكسجين الكربونيلية.
• يحدث هجوم النيوكليوفيل وفقًا لزاوية دونيتز (107 درجة)، مما يؤدي إلى حجب الهيدروجين، بدلاً من أن يكون عموديًا على الكربونيل.
• يُساهم التأثير القطبي أو التأثير الإلكتروني في استقرار الحالة الانتقالية مع أقصى فصل بين النيوكليوفيل ومجموعة ساحبة للإلكترونات . على سبيل المثال ، لا تخضع الهالوكيتونات لقاعدة كرام، وفي المثال المذكور أعلاه، يؤدي استبدال مجموعة الفينيل الساحبة للإلكترونات بمجموعة سيكلوهكسيل إلى تقليل الانتقائية الفراغية بشكل ملحوظ.

يُعدّ نموذج فيلكين-آنه ^{[ 5 ]} امتدادًا لنموذج فيلكين، إذ يتضمن تحسينات اقترحها نغوين ترونغ آنه وأوديل أيزنشتاين لتصحيح نقطتي ضعف رئيسيتين في نموذج فيلكين. تمثلت نقطة الضعف الأولى في إشارة فيلكين إلى وجود تأثير قطبي قوي في حالات الانتقال للإضافة النيوكليوفيلية، مما يؤدي إلى انعكاس كامل للكيمياء الفراغية في تفاعلات _SN2 ، دون تقديم أي تبريرات لملاحظة هذه الظاهرة. تمثل حل آنه في تقديم تأثير مضاد التماثل المستوي كنتيجة للحث غير المتماثل الذي يتحكم فيه كل من تأثيرات المستبدل والمدار. ^{[ 6 ] [ 7 ]} في هذا التأثير، يكون مدار σ*، وهو أفضل مستقبل للنيوكليوفيل، موازيًا لكل من مداري π وπ* للكربونيل، مما يوفر استقرارًا للأنيون الداخل.

أما نقطة الضعف الثانية في نموذج فيلكين فكانت افتراض تقليل البدائل حول الكربونيل R، وهو ما لا يمكن تطبيقه على الألدهيدات.

سمح دمج أفكار زاوية بورغي-دونيتز ^{[ 8 ] [ 9 ]} لآن بافتراض هجوم غير عمودي من قبل النيوكليوفيل على مركز الكربونيل، بزاوية تتراوح بين 95° و105° بالنسبة للرابطة المزدوجة بين الأكسجين والكربون، مما يُفضل الاقتراب من البديل الأصغر وبالتالي حل مشكلة إمكانية التنبؤ بالنسبة للألدهيدات. ^{[ 6 ] [ 10 ] [ 11 ]}

على الرغم من اختلاف نموذجي كرام وفيلكين-آن في المتماثلات المدروسة والافتراضات الأخرى، إلا أنهما يحاولان تفسير الظاهرة الأساسية نفسها: الإضافة التفضيلية للنيوكليوفيل إلى الوجه الأكثر تفضيلاً فراغياً لمجموعة الكربونيل . مع ذلك، توجد أمثلة عديدة لتفاعلات تُظهر انتقائية فراغية معاكسة لما تتنبأ به المبادئ الأساسية لنموذجي كرام وفيلكين-آن. ورغم أن كلا النموذجين يتضمن محاولات لتفسير هذه الانعكاسات، إلا أن النواتج الناتجة لا تزال تُسمى نواتج "مضادة لفيلكين". أحد أكثر الأمثلة شيوعاً على تغير انتقائية الحث غير المتماثل يتطلب استبدال ذرة الكربون ألفا بمكون ذي صفة قاعدة لويس (مثل بدائل الأكسجين، النيتروجين، الكبريت، الفوسفور). في هذه الحالة، إذا أُضيف حمض لويس مثل Al-iPr₂ _أو Zn²⁺ ^، يُمكن ملاحظة تأثير التمخلب ثنائي السن . يؤدي هذا إلى تثبيت مجموعة الكربونيل ومجموعة لويس القاعدية البديلة في هيئة محجوبة، وبالتالي سيهاجم النيوكليوفيل من الجانب الذي يحتوي على أصغر مجموعة كربون ألفا حرة. ^{[ 12 ]} إذا تم تحديد مجموعة R المخلبية على أنها الأكبر، فسينتج عن ذلك ناتج "مضاد فيلكين".

تمّ التعرّف على هذا التحكّم الانتقائي الفراغي ومناقشته في الورقة البحثية الأولى التي أرست نموذج كرام، ما دفع كرام إلى التأكيد على أن نموذجه يتطلّب ظروفًا غير مُخلّبة. ^{[ 13 ]} يمكن رؤية مثال على التحكّم بالتخلّب في التفاعل هنا، من ورقة بحثية نُشرت عام 1987، والتي كانت الأولى التي رصدت بشكل مباشر وسيط "كرام-المخلّب"، ^{[ 14 ]} ما يُؤكّد صحة النموذج.

هنا، يشكل كلوريد ميثيل التيتانيوم رابطة كرام. ثم تنفصل مجموعة الميثيل عن التيتانيوم وتهاجم مجموعة الكربونيل، مما يؤدي إلى تكوين المتصاوغ الفراغي المضاد لفيلكين.

يمكن أن يؤدي تأثير المستبدل الساحب للإلكترونات غير المخلبي إلى انتقائية مضادة لنموذج فيلكين. فإذا كان المستبدل على ذرة الكربون ألفا ساحبًا للإلكترونات بدرجة كافية، فإن النيوكليوفيل سيضيف في وضعية مضادة بالنسبة لمجموعة سحب الإلكترونات ، حتى لو لم يكن المستبدل هو الأكبر بين المجموعات الثلاث المرتبطة بذرة الكربون ألفا. يقدم كل نموذج تفسيرًا مختلفًا قليلًا لهذه الظاهرة. فقد افترض نموذج كورنفورث ^{[ 15 ]} ونموذج فيلكين الأصلي ^{[ 16 ]} تأثيرًا قطبيًا ، حيث وضعا المستبدل الساحب للإلكترونات والنيوكليوفيل الداخل في وضعية مضادة لبعضهما البعض، وذلك لإلغاء عزم ثنائي القطب للبنية الانتقالية بأكبر قدر من الفعالية .

يوضح إسقاط نيومان هذا حالة الانتقال كورنفورث وفيلكين التي تضع مجموعة EWG في وضع مضاد للنيوكليوفيل الداخل ، بغض النظر عن حجمها الفراغي بالنسبة إلى R _S و R _L.

يُقدّم نموذج فيلكين-آن المُحسّن، كما ذُكر سابقًا، تقييمًا أكثر دقةً للتأثير القطبي من خلال مراعاة تفاعلات المدارات الجزيئية في تثبيت الحالة الانتقالية المُفضّلة. يُوضّح الشكل أدناه تفاعلًا نموذجيًا يُبيّن الانتقائية المُحتملة المُضادة لنموذج فيلكين لهذا التأثير، بالإضافة إلى بنيته الانتقالية المُقترحة.

بحسب ريتز، يمكن توسيع نموذج كرام-شيلات للحث 1،2 للتنبؤ بالمركب المخلبي لألدهيد β-ألكوكسي ومعدن. يُلاحظ أن النيوكليوفيل يهاجم من الجانب الأقل إعاقة فراغية ومضاد للمستبدل R _β ، مما يؤدي إلى ناتج الإضافة المضاد كناتج رئيسي. ^{[ 17 ]}

لصنع مثل هذه المركبات المخلبية، يجب أن يحتوي المركز المعدني على موقعين تنسيقيين حرين على الأقل، ويجب أن تشكل الروابط الواقية معقدًا ثنائي السن مع حمض لويس.

أثبت كرام وريتز إمكانية التحكم الفراغي 1،3 إذا سار التفاعل عبر حالة انتقالية غير حلقية. أظهر تفاعل β-ألكوكسي ألدهيد مع أليل ثلاثي ميثيل سيلان انتقائية جيدة لـ 1،3-ديول المضاد ، وهو ما فُسِّر بنموذج كرام القطبي. تتجه مجموعة البنزيلوكسي القطبية في وضع مضاد لمجموعة الكربونيل لتقليل تفاعلات ثنائي القطب، ويهاجم النيوكليوفيل في وضع مضاد للمجموعة الأكبر حجمًا (RM ₎ من بين المجموعتين البديلتين المتبقيتين. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

في الآونة الأخيرة، قدم إيفانز نموذجًا مختلفًا لتحفيز 1،3 غير المخلبي. في حالة الانتقال المقترحة، يكون المركز الفراغي β موجهًا في اتجاه معاكس للنيوكليوفيل الداخل، كما هو الحال في نموذج فيلكين-آن. توضع المجموعة القطبية X عند المركز الفراغي β في اتجاه معاكس لمجموعة الكربونيل لتقليل التفاعلات ثنائية القطب، وتوضع Rβ في اتجاه معاكس لمجموعة الألدهيد لتقليل الإعاقة الفراغية. ونتيجة لذلك، يُتوقع أن يكون 1،3-ثنائي الهيدروكسيل المضاد هو الناتج الرئيسي. ^{[ 20 ]}

تشمل التفاعلات المحتملة عند الألدهيدات الهجوم النيوكليوفيلي وإضافة فلزات الأليل. يمكن وصف الانتقائية الفراغية للهجوم النيوكليوفيلي على الألدهيدات ألفا-كيرالية بنموذج فيلكين-آن أو نموذج فيلكين-آن القطبي، بينما يمكن وصف إضافة فلزات الأليل غير الكيرالية بقاعدة كرام.

غالبًا ما يُفسَّر الانتقاء في الإضافات النيوكليوفيلية إلى الألدهيدات الكيرالية بنموذج فيلكين-آن ^{[ 24 ]} (انظر الشكل). يقترب النيوكليوفيل من ذرة الكربون في مجموعة الكربونيل بزاوية بورجي-دونيتز ^{[ 25 ]} . في هذا المسار، يكون الهجوم من الوجه السفلي غير مُفضَّل بسبب الحجم الفراغي الكبير للمجموعة الوظيفية المجاورة.

يُطبَّق نموذج فيلكين-آن القطبي في الحالة التي تكون فيها X مجموعة سالبة كهربائيًا. يفترض هذا النموذج أن الكيمياء الفراغية المرصودة تنشأ نتيجةً للاستقرار الفائق الناتج عن التفاعل المضاد للترابط بين المدار σ* المضاد للترابط CX والرابطة المتكونة.

يمكن تحسين انتقائية تفاعل فيلكين-آن لإضافة المركبات العضوية المعدنية إلى الألدهيدات باستخدام النيوكليوفيلات العضوية الألومنيومية بدلاً من النيوكليوفيلات المقابلة من نوع غرينيارد أو الليثيوم العضوي. وقد أظهر كلود سبينو وزملاؤه ^{[ 26 ]} تحسينات ملحوظة في الانتقائية الفراغية عند التحول من كواشف فينيل غرينيارد إلى كواشف فينيل ألان مع عدد من الألدهيدات الكيرالية.

يؤدي إضافة الأليل فلزات غير الكيرالية إلى الألدهيدات إلى تكوين كحول كيرالي، ويتحدد الناتج الفراغي لهذا التفاعل بكيرالية ذرة الكربون ألفا في جزيء الألدهيد (انظر الشكل "التحكم بالركيزة: إضافة الأليل فلزات غير الكيرالية إلى الألدهيدات الكيرالية ألفا"). تشمل كواشف الأليل فلزات المستخدمة البورون والقصدير والتيتانيوم .

تُفسر قاعدة كرام الانتقائية الفراغية من خلال النظر إلى الحالة الانتقالية الموضحة في الشكل 3. في هذه الحالة، يستطيع الزوج الإلكتروني الحر للأكسجين التفاعل مع مركز البورون، بينما تستطيع مجموعة الأليل الارتباط بطرف الكربون لمجموعة الكربونيل. يتم تقليل المتطلبات الفراغية لهذه الحالة الانتقالية إلى الحد الأدنى من خلال تكوين ذرة الكربون ألفا، حيث تُبقي المجموعة الأكبر بعيدة عن (في وضعية ترانس) مجموعة الكربونيل المزدحمة، وتقترب مجموعة الأليل المعدني من المجموعة الأصغر على مركز ذرة الكربون ألفا. في المثال أدناه (الشكل "مثال على إضافة مُتحكم بها بواسطة الركيزة لأليل البورون غير الكيرالي إلى ألدهيد ألفا كيرالي")، يتفاعل (R)-2-ميثيل بوتانال (1) مع كاشف أليل البورون (2) مُنتجًا متصاوغين فراغيين محتملين، أحدهما هو المتصاوغ (R,R) وهو الناتج الرئيسي. يُظهر نموذج كرام لهذا التفاعل مجموعة الكربونيل في وضعية ترانس بالنسبة لمجموعة الإيثيل (المجموعة الكبيرة)، بينما يقترب ذرة البورون الأليلية من ذرة الهيدروجين (المجموعة الصغيرة). ويُعرض التركيب في إسقاط نيومان . في هذه الحالة، يحدث تفاعل الإضافة النيوكليوفيلية عند السطح الذي توجد عليه ذرة الهيدروجين (المجموعة الصغيرة)، مُنتجًا المتصاوغ (R,R) كناتج رئيسي.

يمكن تحقيق التوجيه الفراغي غير المتماثل باستخدام مساعدات كيرالية. يمكن ربط هذه المساعدات بشكل عكسي بالركيزة، مما يحفز تفاعلًا انتقائيًا فراغيًا قبل الانشطار، لينتج في النهاية عملية انتقائية ضوئيًا. من أمثلة هذه المساعدات: مساعدات إيفانز الكيرالية من نوع أوكسازوليدينون (لتفاعلات الألدول غير المتماثلة) ^{[ 27 ]،} وأميدات السودوإيفيدرين، وإيمينات ثالثي بوتان سلفيناميد .