Reakcja wewnątrzcząsteczkowa

W chemii wewnątrzcząsteczkowy opisuje proces lub cechę ograniczoną w strukturze pojedynczej cząsteczki , właściwość lub zjawisko ograniczone do zakresu pojedynczej cząsteczki.

Przykłady

• wewnątrzcząsteczkowy transfer wodorków (przeniesienie jonu wodorkowego z jednej części do drugiej w obrębie tej samej cząsteczki)
• wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe (wiązanie wodorowe utworzone między dwiema grupami funkcyjnymi tej samej cząsteczki)
• cyklizacja ω-fluorowcoalkiloamin i alkoholi z utworzeniem odpowiednio nasyconych heterocykli azotowych i tlenowych (reakcja S _N 2 w tej samej cząsteczce)

W wewnątrzcząsteczkowych reakcjach organicznych w jednej cząsteczce znajdują się dwa miejsca reakcji. Powoduje to bardzo wysokie skuteczne stężenie (co skutkuje wysokimi szybkościami reakcji ), a zatem wiele reakcji wewnątrzcząsteczkowych, które nie wystąpiłyby jako reakcja międzycząsteczkowa między dwoma związkami.

Przykładami reakcji wewnątrzcząsteczkowych są przegrupowanie Smilesa , kondensacja Dieckmanna i synteza Madelunga .

Stawki względne

Reakcje wewnątrzcząsteczkowe, zwłaszcza prowadzące do powstania pierścieni 5- i 6-członowych, są szybkie w porównaniu z analogicznym procesem międzycząsteczkowym. Jest to w dużej mierze konsekwencją zmniejszonego kosztu entropii do osiągnięcia stanu przejściowego tworzenia pierścienia i braku znacznego naprężenia związanego z tworzeniem się pierścieni o tych rozmiarach. W przypadku tworzenia pierścieni o różnych rozmiarach poprzez cyklizację substratów o różnej długości uwięzi, kolejność szybkości reakcji (stałe szybkości k _n dla tworzenia pierścienia n -członowego) wynosi zwykle k ₅ > k ₆ > k ₃ > k ₇ > k ₄ jak pokazano poniżej dla szeregu ω-bromoalkiloamin. Ten nieco skomplikowany trend szybkości odzwierciedla wzajemne oddziaływanie tych czynników entropicznych i naprężeń:

Względne stałe szybkości cyklizacji ( n = 5 ustawione na k _rel = 100)

N	k rel	N	k rel	N	k rel
3	0,1	6	1.7	12	0,00001
4	0,002	7	0,03	14	0,0003
5	100	10	0,00000001	15	0,0003

W przypadku „małych pierścieni” ( 3- i 4-członowych ) powolne tempo jest konsekwencją odkształcenia kątowego występującego w stanie przejściowym. Chociaż pierścienie trójczłonowe są bardziej napięte, tworzenie azyrydyny jest szybsze niż tworzenie azetydyny ze względu na bliskość grupy opuszczającej i nukleofila w pierwszym, co zwiększa prawdopodobieństwo, że spotkają się one w konformacji reaktywnej. To samo rozumowanie dotyczy „nienaprężonych pierścieni” ( 5-, 6- i 7-członowych ). Tworzenie „średnich pierścieni” ( 8- do 13-członowy ) jest szczególnie niekorzystny ze względu na połączenie coraz bardziej niekorzystnego kosztu entropicznego i dodatkowej obecności naprężenia przezpierścieniowego wynikającego z interakcji sterycznych w pierścieniu. Wreszcie, w przypadku „dużych pierścieni” ( 14-członowych lub więcej ), stałe szybkości wyrównują się, ponieważ odległość między grupą opuszczającą a nukleofilem jest teraz tak duża, że ​​reakcja jest teraz efektywnie międzycząsteczkowa.

Chociaż szczegóły mogą się nieco zmienić, ogólne trendy dotyczą różnych reakcji wewnątrzcząsteczkowych, w tym procesów z udziałem rodników i (w niektórych przypadkach) katalizowanych metalami przejściowymi.

Wewnątrzcząsteczkowe reakcje [2+2] na uwięzi

Uwiązane wewnątrzcząsteczkowe reakcje [2+2] pociągają za sobą tworzenie cyklobutanu i cyklobutanonu poprzez wewnątrzcząsteczkowe fotocykloaddycje 2+2 . Tethering zapewnia utworzenie układu wielocyklicznego.

Długość uwięzi wpływa na stereochemiczny wynik reakcji [2+2]. Dłuższe uwięzi mają tendencję do generowania „prostego” produktu , $enonu$ którym końcowy węgiel alkenu jest połączony z -węglem . Gdy uwięź składa się tylko z dwóch atomów węgla, „wygięty” produkt jest generowany, gdy węgiel $enonu$ połączony z końcowym węglem alkenu (rysunek 2).

Uwiązane reakcje [2+2] zostały wykorzystane do syntezy związków organicznych o interesujących układach pierścieniowych i topologiach . Na przykład fotocyklizacja [2 + 2] została wykorzystana do skonstruowania tricyklicznej struktury rdzenia w ginkgolidzie B przez EJ Coreya i współpracowników w 1988 roku.

Wiązania molekularne

W niszowej koncepcji zwanej uwięziami molekularnymi , inaczej reakcje międzycząsteczkowe mogą być tymczasowo wewnątrzcząsteczkowe poprzez zakotwiczenie obu reakcji za pomocą uwięzi ze wszystkimi korzyściami z tym związanymi. Popularne wybory uwięzi zawierają ester węglanowy , ester boronowy , eter sililowy lub łącznik sililowo-acetalowy ( uwięzi krzemowe ), które są dość obojętne w wielu reakcjach organicznych, ale można je rozszczepić za pomocą określonych odczynników. Główną przeszkodą w działaniu tej strategii jest wybranie odpowiedniej długości uwięzi i upewnienie się, że grupy reaktywne mają optymalną orientację względem siebie. Przykładem jest reakcja Pausona-Khanda alkenu i alkinu połączonych ze sobą za pomocą eteru sililowego.

W tej konkretnej reakcji kąt uwięzi łączący razem grupy reaktywne jest skutecznie zmniejszany przez umieszczenie grup izopropylowych na atomie krzemu poprzez efekt Thorpe-Ingolda . Żadna reakcja nie zachodzi, gdy te duże grupy są zastępowane mniejszymi grupami metylowymi.

Innym przykładem jest fotochemiczna cykloaddycja [2+2] z dwiema grupami alkenowymi związanymi przez krzemową grupę acetalową (racemiczną, drugiego enancjomeru nie pokazano), która jest następnie rozszczepiana przez TBAF , dając endo-diol.

Bez uwięzi tworzy się izomer egzo .