На реакционную способность циклоалканов и их производных значительное влияние оказывает их конформационные состояния. Наиболее подробно это влияние изучалось на конформерах циклогексановых производных, а также у различных конденсированных систем, в частности стероидного цикла.
Приемы изучения влияния конформационных состояний на реакционную способность
Наиболее распространенным приемом, применяемым для исследования влияния конформации соединения на его реакционную способность, стал метод фиксации конформаций при помощи трет-бутильного заместителя в в экваториальном положении. Так, например, в циклогексане с замещенными цис-4-бром- и 1-трет-бутил группами атом брома расположен в аксиальном положении, а трет-бутильная группа - в экваториальном. У диастереомера - циклогексана с транс-4-бром- 1-трет-бутил группами эти группы находятся в противоположных положениях:
Рисунок 1.
Далее с этими двумя конформационными формами проводят различные реакции:
- $S_N2$ реакции нуклеофильного замещения;
- сольволиза;
- окисления;
- $E2$-элиминирования.
и сравнивают реакционную способность этих форм по скоростям реакций.
$S_N2$ нуклеофильное замещения
При проведении $S_N2$ реакций нуклеофильного замещения, которые протекают с обращением конфигурации, нуклеофильные агенты $Y$- занимают положения, противоположные положениям уходящих групп, т.е. цис-изомер становится транс-изомером, а транс-изомер - цис-изомером:
Рисунок 2.
Структуры переходных состояний для обеих случаев одинаковы. Следовательно, различия в скоростях реакций должны быть вызваны только различием в энергиях исходных цис- и транс-изомерах, т.к. энергии активации соответствуют разностям энергий переходного и начального соединений. Транс-изомеры с бромом в экваториальном положении имеют более низкие энергии основного состояния, и поэтому энергии активации для них должны быть выше, чем для цис-изомеров с бромом в аксиальном положении. Этот эффект соответствует большей реакционной способности аксиальных конформаций по сравнению с экваториальными в реакциях $S_N2$-замещения..
Окислении
Аналогичное стерическое ускорение реакций также происходит в реакциях окисления различных замещенных циклогексанолов окислителями различной природы, например хромовой кислотой. Эти спирты при наличии гидроксильной группы в аксиальном положении окисляются значительно быстрее, чем их аналоги с экваториальным расположением $OH$-группы. В таблице ниже показаны значения констант скоростей реакций окисления ряда замещенных циклогексанолов.
Рисунок 3.
Влияние конформационных состояний на $E2$-элиминирование
Направление реакций $E2$-элиминирования для производных циклогексана напрямую зависит от конформаций соединений - от расположения уходящих групп и соседних атомов водорода. Главным стереоэлектронным требованием $E2$-реакций для производных циклогексана является анти-ориентация этих уходящих групп. Таким образом у циклогексановых производных это условие удовлетворяют исключительно 1,2-диаксиальнорасположенные уходящие группы $X$ и соседние атомы водорода. И поэтому конформационные формы, в которых группы $X$ занимают экваториальные положения, оказываются нереакционноспособными.
Одним из самых наглядных примеров, иллюстрирующих это положение, является реакция $E2$-элиминирования $HCl$ из ментилхлорида и неоментилхлорида под действием этилат-ионов в этаноле.
Рисунок 4.
Преобладание ментена-3 указывает на то, что эта реакция элиминирования подчиняется правилу Зайцева, но это лишь региоселективный, а не региоспецифичный процесс.
Рисунок 5.
Другим интересным примером стереоспецифического транс-диаксиального анти-элиминирования из производных циклогексана является дебромирование меченого 1,1,2-трибромциклогексана под действием иодид-иона. 1,1,2-Трибромциклогексан образуется при присоединении радиоактивного $^{82}Br$ к 1-бромциклогексену.
Рисунок 6.
Дебромирование с помощью иодид-иона протекает исключительно как анти-элиминирование и приводит к образованию немеченного бромциклогексена. Использование метки брома-82, очень чувствительного теста, показывает, что дегалогенирование производных циклогексана также представляет собой стереоспецифический процесс диаксиального анти-элиминирования.
