Az egyensúlyi konformációk energiatartalma

Az alkoxikarbonil-metilén-trikarbonil-trifenilfoszfin-kobalt komplexek királis konformációi a η³ típusú α-észter koordináció és a fenilgyűrűk gátolt rotációja révén alakulnak ki. A 2.2.1. fejezetben királis konformációkra vonatkozó (i-ix) megállapítások a nagyfokú királis szelekció magyarázatát nem adják meg, sőt az általam 3.1. fejezetben bemutatott részletes geometriai elemzés sem adott pontos választ erre. Azonban a konformációs tulajdonságokat leíró diéderes szögek vizsgálata egy új megközelítést sugall, amely az egyes királis konformációk egymásba történő átalakulásának fontosságát jelzi. Az átalakulások végpontjainak a statisztikusan elviekben lehetséges királis konformációkat tekintem, amelyek a molekulák kristályaiban a nagymértékű (legalább 50%-os) diasztereoszelekció révén csupán felerészben, illetve az alkilcsoportokon centrálisan királis vegyületek esetében még ennél is kisebb hányadban (≤25%) jelenek meg.

Az etil származék kristályából (II) származtatható lehetséges diasztereomerek (reP, reM, siM, siP) energiájának és egyensúlyi szerkezeteinek vizsgálata kézenfekvő alapot biztosíthat a korábban megfigyelt sztereoszelektivitás magyarázatához, hiszen ez az egyik legegyszerűbb szerkezet, továbbá molekulaszerkezete a vegyületcsaládra vonatkozóan minden jellemző elemet tartalmaz. Hibrid B3LYP sűrűségfunkcionál módszerrel és Los Alamos pseudopotenciált tartalmazó LANL2DZ báziskészlettel energiaszámításokat végeztünk az egyensúlyi szerkezetekre félempirikus PM3 módszerrel, geometriai optimalizációval meghatározott egyensúlyi szerkezetekre. A számításokat SPARTAN 5.0 és G94 programkörnyezetben végeztem el. A számított és a szilárd fázisú belső koordináták csekély mértékben különböznek egymástól. Az átlagos négyzetes illesztési hiba értéke a kötéstávolságokra 0.03Å, a kötésszögekre 3º a torziós szögekre pedig 9º (17. táblázat). A félempirikus PM3 és B3LYP/LANL2DZ//PM3 módszerrel meghatározott konformációs enantiomerek és diasztereomerek energiája között nincs figyelemreméltó különbség, az eltérés 0.1 kcalmol^-1 alatti ami nem tekinthető szignifikánsnak. Továbbá nincs meggyőző bizonyíték az egyensúlyi szerkezeti oldalról sem annak, hogy miért csak a reP és siM izomerek képződnek a kristályszerkezetben.

17. táblázat: Az etil (II) és s-butil (V) származék kísérleti és számított szerkezeteinek jellemző geometriai paraméterei

s-butil (V) Etil(II)

rePS(13) siMR(14) reP(8) siM(9)

Röntgen PM3 Röntgen PM3 Röntgen PM3 Röntgen PM3

Kötéstávolságok

Co-P 2.226 2.244 2.226 2.244 2.216 2.244 2.216 2.244

Co-Csp³ 2.090 1.991 2.090 1.991 2.080 1.991 2.080 1.991

Co-Csp_t 1.752 1.792 1.752 1.792 1.785 1.792 1.785 1.792

Co-Csp_o 1.794 1.808 1.794 1.808 1.786 1.808 1.786 1.808

Co-Csp_co 1.774 1.798 1.774 1.798 1.788 1.797 1.788 1.797

Csp-Osp_t 1.147 1.163 1.147 1.163 1.137 1.164 1.137 1.164

Csp-Osp_o 1.140 1.161 1.140 1.161 1.129 1.162 1.129 1.162

Csp-Osp_co 1.143 1.162 1.143 1.162 1.135 1.160 1.135 1.160

Co-Csp² 2.966 2.991 2.966 2.991 2.955 2.991 2.955 2.991

Kötésszögek

Co-Csp³-Csp² 112.1 117.1 112.1 117.0 111.6 117.1 111.6 117.1

Co-P-Car_g 116.9 118.0 116.9 118.0 115.3 118.0 115.3 118.0

Co-P-Car_co 114.6 117.6 114.5 117.8 114.2 117.6 114.2 117.6

Co-P-Car_o 112.7 116.5 112.8 116.3 114.2 116.5 114.2 116.5

Csp_co-Co-Csp_o 121.6 122.3 121.6 122.6 119.4 122.0 119.4 122.0

Csp_t-Co-Csp_co 120.2 117.8 120.3 117.7 122.4 118.0 122.4 118.0

Csp_t-Co-Csp_o 117.4 118.5 117.4 118.5 117.7 118.8 117.7 118.8

P-Co-Csp_t 93.5 93.8 93.6 93.9 91.9 94.1 91.9 94.1

P-Co-Csp_co 92.9 93.1 92.9 93.1 91.9 93.9 91.9 93.9

P-Co-Csp_o 92.3 94.2 92.3 94.2 92.6 93.2 92.6 93.2

Diéderes szögek

Co-Csp³-Csp²-Osp³ -96 -85 96 85 -76 -83 76 83

Co-P-Car-Car_g -35 -28 35 26 -46 -29 46 29

Co-P-Car-Car_co -50 -41 50 40 -51 -46 51 46

Co-P-Car-Car_o -46 -46 46 47 -44 -41 44 41

röntgenszerkezet meghatározási hibáját. A megfigyelt energiakülönbség a négy lehetséges diasztereomer pár között azonban már többet mond mint az etil származék esetén, és megfelelő alapot biztosíthat az észlelt sztereoszelekció értelmezéséhez. A sűrűségfunkcionál számítások eredményeképpen meghatároztam a s-butil származék egyes egyensúlyi (PM3) szerkezeteinek energiatartalmát és relatív stabilitását [56], amelyet a 18. táblázatban mutatok be.

18. táblázat: Az s-butil származék (V) statisztikusan lehetséges sztereoizomereinek számított (B3LYP/LANL2DZ//PM3) relatív energiája (Erel ,kcalmol^-1)

Konformáció Konfiguráció Erel

Észter PPh3 s-butil B3LYP/LANL2DZ//PM3

re P S 0.00

re M S 0.18

re P R 3.52

re M R 0.71

si P R 0.00

si M R 0.18

si P S 3.52

si M S 0.71

Az energiaszámítások a siMR és rePS enantiomerpár stabilitását és ezek képződését valószínűsítik. Tehát a sztereoizomerek relatív egyensúlyi energiái megmagyarázzák a szilár fázisú komplexek észlelt sztereoszelektivitását, miszerint a stabilabb izomerek keletkeznek.

Mivel a szerkezetek kis mértékben térnek el (átlagosan kötéstávolságban<0.03Å, kötésszögekben<2º, diéderes szögekben 7º) a kristályos fázisban találtaktól a következő három megállapítás valószínűsíthető:

(i) A számított PM3 (gázfázisú) szerkezetek jól reprodukálják a szilárdfázisú szerkezeteket.

(ii) röntgenszerkezetek nem terheltek a csomagolási motívumokkal, annak dacára, hogy néhány esetben torziós eltérések jelentkeznek, amelyek azonban nem jelentősek, 11º alattiak (iii) a királis konformációk kristályosodás során történő kialakulása kizárható, minek következtében a szilárd és oldat fázisban jelenlévő királis konformációk feltehetően azonosak.

A s-butil származék energetikailag kedvezményezett molekulaszerkezetei rokonságot mutatnak az etil származék királis konformációival, hiszen mindkét esetben siM és reP

lehet a legnagyobb energiájú (legkevésbé stabilabb) izomereket előállítani (siMS és rePR).

Ugyanez igaz a konformációs régióra inverziójára is, hiszen a siMR→rePR és rePS→siMS átalakulások képviseli a legnagyobb energiaváltozást. Habár ez a s-butil származék esetében a királis alkoxicsoport miatt nem történhet meg egyszerű kötés rotációkkal megvalósuló konformációs átalakulással mint ahogyan azt az etil származék királis konformációinak inverzióikor valószínűsíthető. Az egy adott R vagy S kiralitású s-butil csoport konformációs régiójában (észter és foszfin) az etil származékhoz hasonlóan nincsen jelentős eltérés (<0.2 kcalmol^-1) az egyes diasztereomerek energiájában [58].

A fenti számítások a királis konformációkra vonatkozóan lényegében ellentétben állnak a megfigyelt tényekkel, mert az egyes királis konformer – diasztereomer párok 1:1 arányú jelenlétét feltételezik a reakcióelegyben, amennyiben feltételezzük, hogy a képződésük során aszimmetrikus indukció nem következik be. Indirekt úton e számítások eredménye akár alátámaszthatná az előállítás során az aszimmetrikus indukció érvényét. Erre azonban ez idáig közvetlenül nincsen sem kísérleti sem pedig elméletikémiai bizonyíték.

További lehetőség a kristályosodás során jelentkező szilárd fázisú kölcsönhatások kiválasztó szerepe lehet, amelyre számos jelből lehet következtetni. A ciklohexil származékok (VII, VIII) polimorfiája, a gyakori rendezetlen kristályszerkezetek, a belső koordináták nagy szórása és helyenként kiugró értékei arra utalnak, hogy az intermolekuláris hatások jelentős szerephez juthatnak. A legjellemzőbb példaként a benzil származék (IX) kristályát mutattam be, ahol a rendezetlenség magát az észter csoportot is érinti, melynek révén mind a négy lehetséges királis konformáció megjelenik. Az egyes királis konformációkat pedig jól beazonosíthatóan C-H···O hidrogénkötések rögzítik.

A szilárd fázisú interakciók királisan indukáló hatását periodikus rendszerekre alapozva szilárd fázist szimuláló számításokkal lehetne bizonyítani, azonban ez jelenleg meghaladja a rendelkezésemre álló eszközök által kínált lehetőségeket. További vizsgálataim során továbbra is gáz fázisú (vákuum) körülmények szimulációjára hagyatkozom, és egyetlen molekulaszerkezetre alkalmazott konformációs számítások segítségével az egyes királis konformerek interkonverzióinak lehetőségeit vizsgálom meg.