2.1.5.2. Алкил- и полиалкилциклогексаны

В процессе инверсии кольца циклогексана все экваториальные С—Н-связи становятся аксиальными, а все аксиальные С—Н-связи становятся экваториальными. В исходной системе это изменение вырождено, однако в замещенных циклогексанах оно имеет важные конформационные последствия.

Замещение в циклогексановом кольце не влияет существенно на скорость инверсии конформации, однако оно влияет на распределение в равновесии альтернативных форм кресла, которые не являются больше идентичными. Разницу в энергиях конформаций замещенных циклогексанов, как и кинетику инверсии кольца, можно определить различными физическими методами [21 в]. Как для термодинамических, так и для кинетических исследований особую ценность представляет ЯМР-спектроскопия [36].

Метилциклогексан может существовать либо в конформации с экваториальным заместителем, либо в конформации с аксиальным заместителем, обе конформации находятся в быстро устанавливающемся равновесии между собой. Константа равновесия соответствует содержанию в смеси экваториального и аксиального метилциклогексанов; свободная энергия перехода , равна . Предпочтительность экваториальной ориентации для метильного заместителя является общей чертой для монозамещенных циклогексанов. Причиной этого, исходя из общих представлений, можно считать большую устойчивость транс(анти)-конформации н-бутана по сравнению со скошенной конформацией [21]. Важное конформационное различие между экваториальным и аксиальным циклогексаном показано ниже:

В аксиальном изомере А имеются два гош-бутановых взаимодействия, одно из которых видно на ньюменовской проекции; оба взаимодействия обозначены жирными линиями. Экваториальный изомер Е конформационно подобен транс(анти)-конформации бутана.

Дестабилизующие взаимодействия за счет присутствия скошенных конформаций в аксиальном метилциклогексане часто называют -диаксиальными взаимодействиями или взаимодействиями через кольцо.

Более четко эти взаимодействия представлены ниже:

Когда атомы водорода метильной группы находятся в заторможенном положении по отношению к группам у атома углерода, к которому присоединена метильная группа, то один из водородов должен обязательно располагаться над кольцом, сближаясь с син-аксиальными атомами водорода в положениях 3 и 5 на расстояние . Такие взаимодействия не возникают в экваториальном изомере. Поскольку в аксиальном метилциклогексане имеются два гош-бутановых взаимодействия, разница в энергии аксиального и экваториального изомеров должна быть равна удвоенному значению разницы энергии для гош- и анти-бутанов, т. е. около . Это хорошо согласуется с большинством экспериментальных данных [21 в]; так, например, эта величина, определенная в работе [37], составляет . Расчеты, основанные на молекулярной механике и теории молекулярных орбиталей, также приводят примерно к этим значениям [33, 34, 38].

При анализе дестабилизующих взаимодействий в алкилцикло-гексанах обычно значительно проще учитывать -диаксиальные взаимодействия, чем гош-бутановые взаимодействия; преимущество такого подхода и в том, что при рассмотрении заместителей, иных, чем метил, он позволяет принимать во внимание размеры заместителя, участвующего во взаимодействии. Разница в свободной энергии аксиальной и экваториальной форм ряда алкилциклогексанов указывает на то, что размеры и природа замещающей группы играют важную роль: для этнлциклогексана эта разница почти не отличается от разницы для метилциклогексана; в случае изопропилциклогексана она несколько выше (около 9 ), а для трет-бутилциклогексана — не менее . Сходство между метильной, этильной и изопропильными группами отражает то обстоятельство, что вращение вокруг связи между заместителем и кольцом позволяет придать молекуле ту конформацию, при которой влияние дополнительных метильных заместителей в этильной и изопропильной группах сводится к минимальному [21 в]. Однако аксиальная трет-бутильная группа вступает в сильное отталкивающее ван-дер-ваальсово взаимодействие с син-аксиальными водородными атомами, которое не может быть уменьшено за счет вращения вокруг связи, соединяющей кольцо с заместителем. Разница в энергиях аксиального и экваториального тре-бутилциклогексана близка к разнице энергий между конформациями кресла и искаженной ванны (твист-конформация) циклогексана, поэтому любые определения равновесия могут осложняться присутствием конформаций, отличных от кресла [39].

Аллинджер [40] выразил сомнение в том, что -аксиальные взаимодействия являются главной причиной относительной неустойчивости аксиальных конформаций, и выдвинул другое возможное объяснение, в котором сделан упор на пространственное окружение не аксиальных заместителей, а экваториального агома водорода, связанного с углеродным атомом, несущим заместитель. В сущности это объяснение сводится к тому, что неустойчивость аксиальной конформации обусловлена пространственными затруднениями между экваториальным третичным атомом водорода и ближайшими заместителями. Шлейер с сотр. [31] рассмотрели эту возможность с учетом структурных данных и молекулярно-механических расчетов и пришли к выводу, что такое объяснение неверно.

Конформационный анализ циклогексановых колец, несущих два и более алкильных заместителей, аналогичен описанному выше, за исключением того, что, когда заместители присоединены к различным углеродным атомам в кольце, следует рассматривать и конфигурационные взаимоотношения [21]. Если два неодинаковых заместителя связаны с одним и тем же атомом углерода, то при инверсии кольца аксиальные и экваториальные заместители меняются местами, и молекула стремится принять конформацию, в которой более крупный заместитель занимает экваториальное положение.

В системах, в которых заместители связаны с различными углеродными атомами, можно установить ряд стереохимических зависимостей, которые рассмотрены в настоящем разделе только на примере диметилциклогексанов в конформациях кресла; , 1,3- и -диметилциклогексаны могут существовать в цис- и транс-формах (т. е. как диастереомеры). Каждый из диастереомеров может существовать в двух конформациях кресла и соотношение между этими конформациями определяется расположением заместителей. транс- -Диметилциклогексан может быть либо диэкваториальным (е, е), либо диаксиальным (а, а). В а, а-форме возможны четыре гош-бутановых взаимодействия, в то время как в е, е-форме — только одно.

В соответствии с этим разница в свободной энергии между а, а- и е, е-формами соствляет , т. е. , и в равновесии е, е-форма будет преобладать над а, а-формой. Обе конформации транс- хиральны, и для каждой из них существует несовмещающее зеркальное изображение. Поэтому молекула существует в виде (-пары, т. е. в рацемической модификации. В цис- в конформации кресла имеются один аксиальный и один экваториальный заместители (а, е). Инверсия кольца приводит к энергетически эквивалентному конформеру . Молекула не обладает элементами симметрии. Хотя обе конформации кресла являются несовмещающимися зеркальными изображениями, молекула не проявляет оптической активности; дело в том, что потенциальный барьер конверсии кресло — кресло настолько низок, что в этом случае мы имеем дело с быстро инвертирующейся неразделимой (-парой. В цис- имеются три гош-бутановых взаимодействия. В соответствии с этим разница в энергиях цис- и транс-форм, равная энергии двух гош-бутановых взаимодействий, должна быть в пользу транс-формы. Экспериментально определенное изменение свободной энергии перехода цис-транс оказалось равным .

В цис- заместители могут находиться в диэкваториальном (е, е) или в диаксиальном (а, а) положениях,

Форма а, а должна быть значительно менее устойчива, поскольку в этой конформации существуют сильные -диаксиальные взаимодействия между заместителями. Обе формы имеют плоскости симметрии, проходящие через углеродные атомы 2 и 5. В транс- один заместитель является аксиальным, а другой экваториальным (а, е). Инверсия кольца превращает а, е-конформер в энергетически эквивалентный е, а-конформер. Эти формы ( и ) не являются энантиомерами и совмещаются.

Молекула не имеет плоскости симметрии, и и (-формы способны к существованию. Поскольку в транс- имеются два гош-бутановых взаимодействия, а в цис-изомере в е, е-конформации такие взаимодействия отсутствуют, энергетическая разница должна составлять экспериментально найденное значение для перехода цис-стране равно .

Как в , так и в транс- существует плоскость симметрии, проходящая через углеродные атомы 1 и 4,

поэтому оба изомера не способны проявлять оптическую активность. Транс-Изомер может находиться в е, е- и а, а-конформациях; вследствие гош-бутановых взаимодействий вклад а, а-формы в конформационное равновесие очень невелик. Цис-Изомер имеет а, е- и е, а-формы, которые взаимно совмещаются, транс-Изомер более устойчив чем цис-изомер (на 8 ).

Конформационные принципы, описанные выше, можно использовать для любого полиалкилциклогексана при условии, что он будет находиться в конформации кресла. В общем случае, конформации, в которых имеются -диаксиальные взаимодействия между заместителями, оказывающими большее пространственное влияние, чем водородные атомы, сильно дестабилизованы. Например, изучение состояния равновесия в смеси цис- и транс- в присутствии палладиевого катализатора позволяет непосредственно измерить -диаксиальное метил — метальное взаимодействие, которое оказалось равным .