Torquoselektivitet i organisk kemi: Forklaring, mekanismer og eksempler
Torquoselektivitet i organisk kemi — forklaring, mekanismer og eksempler på, hvordan rotation styrer selektiv produktdannelse, katalyse og praktiske anvendelser.
Torquoselektivitet i organisk kemi beskriver en foretrukken rotationsretning af substituenter i elektrocykliske reaktioner, der fører til dannelse af den ene stereoisomer i større mængde end den anden. En præcis definition lyder: "præference for indadgående eller udadgående rotation af substituenter i konrotatoriske eller disrotatoriske elektrocykliske reaktioner." Med andre ord er en reaktion torquoselektiv, hvis grupper bundet til den ring, der dannes eller brydes, har større sandsynlighed for at rotere i én bestemt retning frem for at være lige sandsynlige i begge retninger. Begrebet blev oprindeligt udviklet og beskrevet af Kendall N. Houk.
Grundprincipper og forholdet til andre selektiviteter
Torquoselektivitet adskiller sig fra den almindelige diastereoselektivitet i pericykliske reaktioner, idet den handler om valg mellem to rotationsretninger inden for samme overordnede mekanistiske bane. Den ligger derfor som en ekstra selektivitet ud over de regler, som Woodward-Hoffmann-reglerne fastsætter for, om en elektrocyklisk proces foregår konrotatorisk eller disrotatorisk under termiske eller fotokemiske betingelser.
Når ringlukning danner et stereocenter (eller flere), svarer torquoselektivitet ofte til enantioselektivitet: selektiv rotation i én retning giver én enantiomer i overvægt. I en typisk elektrocyklisk ringlukning giver valget af enten konrotatoriske eller disrotatoriske bevægelser formelt to mulige enantiomerer, og torquoselektivitet er den effekt, der skelner konkret mellem disse ved at favorisere én rotationsretning — ofte via asymmetrisk induktion.
Mekanistiske årsager til torquoselektivitet
Torquoselektivitet styres typisk af en kombination af:
- Steriske faktorer: Store substituenter foretrækker ofte at rotere væk fra hinanden (udad), så sterisk hindring i transitionstilstanden kan favorisere én rotationsretning.
- Elektroniske effekter: Substituenter, der er elektronafgivende eller elektrontiltrækkende, kan stabilisere eller destabilisere delvist udviklede ladninger eller orbitalinteraktioner i transitionstilstanden og derigennem ændre rotationsfavoritten.
- Sekundære orbitalinteraktioner: Hyperkonjugation, π–π- eller n–π-interaktioner i transitionstilstanden kan give en energetisk fordel for en bestemt rotationsretning.
- Katalytisk eller ydre induktion: Chirale Lewis-syre-katalysatorer eller andre chirale miljøer kan biasere rotationsretningen og dermed give torquoselektiv, ofte enantioselektiv, omdannelse.
- Nærliggende stereocentre: Hvis udgangsmaterialet allerede har et stereocenter, kan dette via diastereomerisk interaktion inducere torquoselektivitet (dvs. en form for diastereoselektivitet).
Eksempler på reaktioner med torquoselektivitet
Torquoselektivitet findes både i ringlukninger og ringåbninger:
- Ringåbninger af substituerede cyclobutener til butadiener viser ofte, at store substituenter roterer udad, hvilket påvirker E/Z-geometrien af produktet.
- Elektrocykliske ringlukninger (fx 6π-elektrocyklisering af hexatriener) kan vise torquoselektiv dannelse af en bestemt stereokemisk variant, når asymmetri introduceres i udgangsmaterialet eller via katalyse.
- En væsentlig og hyppigt citeret type er den torquoselektive Nazarov-cyklisering af chiral allenylvinylketon, hvor aksial (allenyl) chiralitet overføres til tetraedrisk stereokemi i det dannede cyklopentenonprodukt — et eksempel på aksial-til-tetraedrisk chiralitetsoverførsel.
Hvordan måles og forudsiges torquoselektivitet?
Eksperimentelt bestemmes selektiviteten ofte ved:
- Analyser af produkter med NMR og kromatografiske metoder (f.eks. chiral HPLC).
- Kvantificering af enantiomerisk overskud (ee) eller diastereomerisk ratio.
- Kinetiske studier og isotopmærkning for at klarlægge mekanistiske detaljer.
Teoretisk forudsigelse og rationalisering foretages typisk med computationskemi (f.eks. DFT-beregninger), hvor transitionstilstande for de to mulige rotationsretninger sammenlignes. En energiforskel ΔΔG‡ mellem de to transitionstilstande relaterer direkte til forventet produktfordeling via Boltzmann-fordelingen og Curtin–Hammett-principper.
Anvendelser og praktisk betydning
Torquoselektivitet er vigtig, når man ønsker selektiv dannelse af bestemte stereoisomerer i syntese af naturlige produkter og farmaceutisk relevante forbindelser. Ved at udnytte steriske og elektroniske effekter, eller ved at anvende chirale katalysatorer, kan syntetisk-kemikere opnå høj enantio- eller diastereoselektivitet i pericykliske transformationstrin.
Opsummering
Torquoselektivitet er en finere form for selektivitet i pericykliske reaktioner, som bestemmer rotationsretningen af substituenter under en elektrocyklisk proces og dermed hvilken stereoisomer der dannes. Den kan være drevet af steriske og elektroniske faktorer, katalyse eller eksisterende stereokemiske elementer i molekylet, og den kan både beskrives og forudsiges med moderne eksperimentelle og teoretiske værktøjer.
Torquoselektivitet kan også gælde for andre mekanismer, herunder chirale Lewis-syre-katalysatorer, induktion ved nabostereocentre (i hvilket tilfælde torquoselektiviteten er et tilfælde af diastereoselektivitet) og aksial-til-tetraedrisk chiralitetsoverførsel. Et eksempel på aksial-til-tetraedrisk chiralitetsoverførsel er vist nedenfor for den torquoselektive Nazarov-cykliseringsreaktion af en chiral allenylvinylketon.
Torquoselektivitet via aksial til tetraedrisk chiralitetsoverførsel i Nazarovcyklingen af allenylvinylketoner
Konrotatoriske og disrotatoriske rotationsmåder, der hver viser to mulige rotationsretninger, der resulterer i par af enantiomerer for et generisk hexatriensystem. Bemærk: I det viste tilfælde er der ingen grund til, at reaktionen skal være torquoselektiv, og begge produkter vil kunne forventes for ethvert bestemt sæt af betingelser.
Termisk elektrocyklisk ringåbning af en cyclobuten, der giver selektivitet via sterisk belastning
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er torquoselektivitet?
Svar: Torquoselektivitet er et fænomen i organisk kemi, der beskriver elektrocykliske reaktioner, som producerer den ene isomer mere end den anden. Det opstår, når grupper af atomer, der hænger fra en ring af atomer, har større sandsynlighed for at have roteret i en bestemt retning under reaktionen i stedet for at have roteret lige meget i begge mulige retninger.
Spørgsmål: Hvordan adskiller torquoselektivitet sig fra diastereoselektivitet?
Svar: Torquoselektivitet adskiller sig fra den normale diastereoselektivitet i pericykliske reaktioner og går ud over Woodward-Hoffmann-reglerne. Diastereoselektivitet henviser til præferencen for en stereoisomer frem for en anden, mens torquoselektivitet henviser til præferencen for indadgående eller udadgående rotation af substituenter i konrotatoriske eller disrotatoriske elektrocykliske reaktioner.
Sp: Hvad betyder det, når en kemisk reaktion har torquoselektive egenskaber?
Svar: Når en kemisk reaktion har torquoselektive egenskaber, betyder det, at kun én rotationsretning var tilladt (dvs. at substituenternes rotationsretning blev foretrukket), og at der således kun dannes et enkelt produkt.
Spørgsmål: Hvor stammer dette begreb fra?
A: Begrebet torqueselecitivitet stammer fra Kendall N. Houk.
Spørgsmål: I hvilke tilfælde er steriske belastninger afgørende for selektivitet?
Svar: Sterisk belastning er afgørende for selektivitet i tilfælde, hvor selektive elektrocykliske reaktioner bryder åbne ringe; forskellige rotationsretninger giver forskellige strukturelle isomerer, og sterisk belastning kan bruges som forklaring på, hvorfor visse produkter dannes frem for andre.
Sp: Hvordan kan elektronafgivende og -tilbagetrukne grupper påvirke selektiviteten?
Svar: Undersøgelser har vist, at elektronafgivende og -inddragende grupper også kan ændre selektiviteten ved at ændre sandsynligheden for, at der dannes bestemte produkter frem for andre, fordi de påvirker reaktantmolekylernes struktur og energi.
Spørgsmål: Er der andre mekanismer ud over elektrocyklisering, som involverer momentelektivitet?
A: Ja, der er andre mekanismer end elektrocyklisering, som involverer torquelecitivitet, f.eks. chirale Lewis-syre-katalysatorer, induktion ved nabostereocentre (i hvilket tilfælde torquelecitiviteten er et tilfælde af diastereolecitivitet) og overførsel af aksial-til-tetraedrisk chiralitet (som det ses i Nazarov-cykliseringsreaktioner).
Søge