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User:星外之神/Cieplak效应

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Cieplak效应是一种可以用于预测某些有机反应选择性的理论模型。利用它可以解释亲核试剂对羰基加成的立体选择性。Cieplak效应由A. S. Cieplak在1980年提出，这一效应可以解释当时的其他类似模型（例如Cram规则与Felkin-Anh模型）无法解释的反常现象。

A. S. Cieplak的理论认为，在羰基碳与亲核试剂成键的过渡态中，羰基将受到亲核试剂的极化作用，使进攻侧的电子云密度减小，而对侧的电子云密度反而增大，体系的LUMO更集中于进攻侧。相邻的σ成键轨道可以与这一体系的LUMO重组，由于过渡态中LUMO相对集中于进攻侧，故通常在进攻侧的相邻σ键与之重组程度更大，这将更有力地降低过渡态能量并增大反应速率。 [1]因此，加成更倾向于发生在给电子能力更强的键一侧。亲核试剂种类多样，最常用的是有机金属试剂和还原剂。 Cieplak效应对反应的立体选择性有着微妙的影响，同时，空间效应、溶剂效应、氧原子与抗衡离子络合作用等其他效应也将对立体选择性造成一定影响。一些学者在后续的研究中也对Cieplak效应的合理性提出了质疑（见批评）。

背景

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Cieplak效应依靠已填充轨道与未填充轨道间发生超共轭作用降低过渡态能量。 [2]

当一个体系的最高已占据分子轨道 ( HOMO ) 和另一个体系的最低未占据分子轨道 ( LUMO ) 能量相近且空间对称性匹配时，这两个轨道间便可以发生较为有效的重组，产生一个能量比原来的HOMO低的新的已占据轨道和一个能量比原来的LUMO高的未占据轨道。通常，原体系的 HOMO 是已填充满的σ轨道 ，而 LUMO 是空的σ*轨道 。这种轨道重组降低了已填充轨道中电子的势能，因而使得体系稳定化。超共轭效应已广泛用于解释异头效应等现象。超共轭效应通常要求电子给体键与电子受体键彼此反式共平面，以产生最大程度的轨道重叠。

Cieplak效应利用超共轭效应来解释亲核试剂对羰基加成的立体选择性。

由超共轭效应分析，给电子基向轨道能量较低的 σ* C-Nuc键提供电子可降低体系能量。由于反式共平面的空间要求，电子给体键对其中一侧的给电子程度更大，从而增加了对另一侧的攻击速率。以下图为例，构象翻转禁阻的环己酮衍生物被还原为相应的醇。亲核试剂沿Burgi-Dunitz 角进攻，在该分子中，无论是t-Bu一侧还是其对侧均可满足这一夹角要求。显然，由于空间效应，大位阻的亲核试剂为了避免1,3-二直键斥力，将会从平伏键方向进攻。然而，小位阻的亲核试剂将会加成到直立键位置，造成这一现象的原因尚存争议。 [3]

A. S. Cieplak假设形成中的 “ σ* C–H“轨道与几何上平行的 σ 轨道间存在超共轭作用。由于此时这条C-H键还未完全形成，“ σ* C–H“轨道的能量仍然较低，与已填充电子的轨道能量较为接近，可发生较大程度的轨道重组，超共轭效应的影响较为显著。而提供电子的 σ 轨道在平面两侧分布可能不对称，由此可产生立体选择性。从直立键加成时，环上的C–C键与正在形成的C-H键反式共平面，因此这些C-C键可以对过渡态中的“ σ* C–H“给电子。从平伏键加成时，羰基相邻碳上处于直立键位置的C-H键与正在形成的C-H键反式共平面，因此它们可以对从直立键进攻的过渡态中的 “ σ* C–H“给电子 。由于C-H键的给电子超共轭效应比C-C键强，因此C-H键能更好地降低过渡态能量，使亲核试剂更易于从直立键进攻。 [1]

证据

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通过研究各种具有不同电子效应的取代基对产品选择性的影响，Cieplak的理论获得了大量证据的支持。在环己酮衍生物的C2位置连接一个吸电子取代基（如甲氧基）后，亲核试剂从平伏键方向进攻的倾向有所增加。 [4]这是因为直立键上的C-O键是比C-C键更差的电子给体，因此从直立键方向进攻的倾向减小。

Cieplak还在C3上引入吸电子取代基来证明这种效果。吸电子取代基的引入可以降低环上C-C键的给电子能力，减小从平伏键方向进攻的倾向。[5] C3处的给电子取代基则有利于从平伏键方向进攻，因为增加C-C键的电子云密度有利于σC-C对过渡态中的“ σ* C-Nuc ”进行超共轭给电子，使得从平伏键方向进攻更加有利。

改变亲核试剂的电子性质也可以为Cieplak效应提供更多的证据支持。在亲核试剂连有强吸电子基的情况下，过渡态中正在形成的C-Nuc键的“σ*”能量将会较低，超共轭效应的影响更为显著，可以更好地被反式共平面的C-H稳定化。因此，亲核进攻发生在平伏键方向。 [6]然而，如果亲核试剂较为富电子，则超共轭效应影响较弱，由Cieplak效应造成的选择性降低，从平伏键方向进攻的可能性增大。 [7]在控制亲核试剂的空间体积相近时，这些趋势可以很好地呈现出来。 [1]

在取代的降冰片酮所参与的亲核加成反应中，亲核试剂将于给电子能力最强的σ键的对侧进攻，给σ* C-Nuc的键相反。 [8]为这种相互作用定位的键是六元环上的桥头 C-C 键。提供电子密度到这些键，例如作为取代基的乙基基团，可增加添加速率抗到烷基，其是antiperiplanar轨迹。然而，如果将吸电子取代基（如酯）附加到 C-C 键上，则选择性有利于顺式加成，因此提供给 σ* C-Nuc的键是更富电子的 C-C 键，即氢-取代。 [9]

在取代的 2-金刚砂中可以看到类似的例子，其中在远程 5 位置改变电子特性对产品分布有深远的影响。 [10]羟基能够感应地提供电子密度以形成 σ* C–H键反周面，因此有利于从那一侧进行攻击。然而，吸电子酯取代基缺乏这种稳定能力。相反，C-H 键是比 C-CO 2 Me 键更好的电子供体，因此攻击是针对氢取代基的，随后是对酯基的合成。这解释了远程电子供体组对立体化学结果的影响，而其他立体化学模型难以解释这一点。金刚砂骨架的刚性允许严格控制构象和最小化竞争效应。 [11]

批评

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Cieplak 模型受到了褒贬不一的评价，对其基本逻辑和预测能力的批评也出现了。将电子密度提供给形成键的过渡态 σ* 轨道的稳定相互作用立即受到质疑，因为这种相互作用已被广泛用于解释相反的情况——键的不稳定。 [12]传统上，当它们将电子密度从它们的成键 HOMO 捐赠给相邻的反键 LUMO 时，形成的键是稳定的，而不是通过将电子密度接受到它们的 LUMO 中。为此，大卫·A·埃文斯(David A. Evans) 谈到 Cieplak 的提议：“通过稳定最高能量填充状态来稳定结构。这是前沿分子轨道理论的基本假设之一。 Cieplak 假设是无稽之谈。” [13] [14]然而，Hahn 和 le Noble 通过援引微观可逆性原理驳斥了这一点，其中键形成和裂解的过程在平衡中基本上是等价的，“键合”和“反键合”这两个术语几乎没有价值，σ或σ*。 [15]在对该模型的另一个批评中，Houk 质疑 Cieplak 的基本假设，即 CH 键是比 CC 键更好的电子供体。 [16]这一点仍然存在争议，代表了该领域的另一个重大争议。

为了进一步反驳 Cieplak 效应，Houk 提出了一个系统，其中 Cieplak 的模型预测了错误的产品分布趋势。在取代的反式十酮的情况下，C4 上的吸电子取代基应阻止赤道攻击并产生更多的轴向产物，因为环 C-C 键失活以供形成 C-Nuc 键。然而，实验证据表明，轴向吸电子 C4 取代基比赤道取代基更倾向于轴向攻击。 [17]由于该系统中的超共轭轴轨道没有对齐，因此 Houk 通过调用静电论点来合理化这一趋势，如下所述。

其他解释

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为了解释上述系统中令人惊讶的立体选择性，已经提出了 Cieplak 效应的替代解释。在取代的环己酮中，小的还原剂轴向添加氢化物的趋势被认为是由扭转应变而不是超共轭引起的。 [18]在赤道攻击中，亲核试剂通过遮住相邻的氢原子来接近，随后将羰基取代基推入遮住位置，因为它使羰基碳锥体化。 [19]在轴向的方法中，亲核试剂的方法笨拙到相邻的氢原子，因此不会引起食交互，同时pyramidalizing羰基碳。正是这种扭转应变——将键从重叠位置旋转出来的能量成本——有利于轴向方法而不是赤道方法。

在取代降冰片酮的情况下，立体选择性可以通过取代基和亲核试剂之间的静电相互作用来解释。吸电子基团在α 碳上产生部分正电荷，它与进入的亲核试剂上的部分负电荷发生有利的相互作用。 [20]这种相互作用可以引导对吸电子取代基的顺式攻击，以及对给电子取代基的反攻击。这个结论得到了计算的支持，其中对部分电荷进行建模可以预测产物分布，而不包括轨道相互作用。 [21]已作出相同的解释来证明在取代金刚砂的情况下类似的结果是正确的。 [22]

类似地，在 Houk 的反式十酮体系中，带有部分负电荷的亲核试剂更喜欢攻击远离酰基酯部分负电荷的部分。当这个取代基是轴向的时，赤道途径使亲核试剂更接近，因此不受欢迎。 [23]这对于赤道取代的酯不太明显，因为该基团现在位于更远离羰基的位置。 [17]

参考

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Cieplak, A. S. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 4540
  2. ^ Alabugin, I. V.; Gilmore, K. M.; Peterson, P. W. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 109
  3. ^ Eliel, E. L.; Senda, Y. Tetrahedron 1970, 26, 2411
  4. ^ Senda, Y.; Nakano, S.; Kunii, H.; Itoh, H. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1993, 2, 1009
  5. ^ Johnson, C. R.; Tait, B. D.; Cieplak, A. S. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5875
  6. ^ Favre, H.; Gravel, D. Can. J. Chem. 1961, 39, 1548
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  21. ^ Ganguly, B.; Chandrasekhar, J.; Khan, F. A.; Mehta, G. J. Org. Chem. 1993, 58, 1734
  22. ^ Adcock, W.; Cotton, J.; Trout, N. A. J. Org. Chem. 1994, 59, 1867
  23. ^ Northrup, A. B. (2003, September). Hyperconjugation. MacMillan Group Meeting. Lecture conducted from University of California, Bekeley, CA.

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