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Efecto anomérico

Los anómeros α y β de la D - glucopiranosa . En química orgánica , el efecto anomérico o efecto Edward-Lemieux (en honor a JT Edward y Raymond Lemieux ) es un efecto estereoelec...

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Los anómeros α y β de la D - glucopiranosa .

En química orgánica , el efecto anomérico o efecto Edward-Lemieux (en honor a JT Edward y Raymond Lemieux ) es un efecto estereoelectrónico que describe la tendencia de los sustituyentes heteroatómicos vecinales de un heteroátomo cíclico, por ejemplo, el oxígeno en un anillo de tetrahidropirano , a adoptar la orientación axial relativa , en lugar de una orientación ecuatorial menos impedida estéricamente . [ 1 ] Este efecto fue observado por primera vez en anillos de piranosa por JT Edward en 1955, mientras estudiaba la química de los carbohidratos .

El término " efecto anomérico " se popularizó en 1958, [ 2 ] derivado de la designación estereoquímica del carbono anular de menor número de un anillo de piranosa: el carbono anomérico . Las moléculas anoméricas son isómeros que difieren únicamente en su configuración en el carbono anomérico; los anómeros de D -glucopiranosa son diastereómeros , donde el anómero β está orientado de tal manera que el grupo hidroxilo ( −OH ) apunta hacia arriba ecuatorialmente, mientras que el hidroxilo del anómero α apunta hacia abajo axialmente.

El efecto anomérico también puede generalizarse a cualquier sistema ciclohexilo o lineal con la fórmula general C−Y−C−X , donde Y es un heteroátomo con uno o más pares de electrones no enlazantes y X es un átomo o grupo electronegativo . [ 3 ] La magnitud del efecto anomérico se estima en 4–8 kJ/mol en el caso de los azúcares, pero es diferente para cada molécula.

En el caso anterior, el grupo metoxi ( −O−CH 3 ) en el anillo de ciclohexano (arriba) prefiere la posición ecuatorial. Sin embargo, en el anillo de tetrahidropirano (abajo), el grupo metoxi prefiere la posición axial. Esto se debe a que en el anillo de ciclohexano, Y = carbono, que no es un heteroátomo, por lo que no se observa el efecto anomérico y el impedimento estérico domina la posición observada del sustituyente. En el anillo de tetrahidropirano, Y = oxígeno, que es un heteroátomo, por lo que el efecto anomérico contribuye y estabiliza la posición observada del sustituyente. En ambos casos, X = grupo metoxi.

El efecto anomérico se observa con mayor frecuencia cuando Y = oxígeno, pero también puede verse con otros heteroátomos que contienen pares de electrones no enlazantes en el anillo, como nitrógeno, azufre y fósforo. [ 4 ] El método exacto por el cual el efecto anomérico causa estabilización es un punto de controversia, y se han propuesto varias hipótesis para explicarlo.

Explicación física y controversia

La razón física del efecto anomérico no se comprende del todo. Se han ofrecido varias explicaciones, en parte contradictorias, y el tema aún no está resuelto. [ 5 ]

Hiperconjugación

Moléculas cíclicas

Una explicación ampliamente aceptada es que existe una interacción estabilizadora ( hiperconjugación ) entre el par de electrones no compartidos del heteroátomo endocíclico (dentro del anillo de azúcar) y el orbital σ* del enlace C–X axial (exocíclico). [ 6 ] Esto provoca que la molécula alinee el par de electrones no enlazantes donadores de forma antiperiplanar (180°) con el enlace σ C–X exocíclico, lo que reduce la energía total del sistema y aumenta su estabilidad. [ 7 ]

Algunos autores también cuestionan la validez de este modelo de hiperconjugación basándose en resultados de la teoría cuántica de átomos en moléculas . [ 8 ] Si bien la mayoría de los estudios sobre los efectos anoméricos han sido de naturaleza teórica, la hipótesis n–σ* (hiperconjugación) también ha sido ampliamente criticada debido a que la redistribución de la densidad electrónica en los acetales propuesta por esta hipótesis no es congruente con la química experimental conocida de los acetales y, en particular, con la química de los monosacáridos. [ 9 ] [ 10 ]

Moléculas acíclicas

La hiperconjugación también se encuentra en moléculas acíclicas que contienen heteroátomos, otra forma del efecto anomérico. Si una molécula tiene un átomo con un par de electrones no enlazantes y el átomo adyacente puede aceptar electrones en el orbital σ*, se produce la hiperconjugación, estabilizando la molécula. Esto forma una forma de resonancia "sin enlace". Para que se produzca este solapamiento orbital , la conformación trans , trans es la preferida para la mayoría de los heteroátomos; sin embargo, para que se produzca la estabilización en el dimetoximetano , la conformación gauche , gauche tiene una energía aproximadamente 3–5 kcal/mol menor (es más estable) que la conformación trans , trans ; esto es aproximadamente el doble de grande que el efecto en los azúcares porque hay dos enlaces rotables (por lo tanto, es trans alrededor de ambos enlaces o gauche alrededor de ambos) que se ven afectados. [ 11 ]

Minimización de dipolos

Otra explicación aceptada para el efecto anomérico es que la configuración ecuatorial tiene los dipolos que involucran a ambos heteroátomos parcialmente alineados y, por lo tanto, repeliéndose entre sí. [ 12 ] Por el contrario, la configuración axial tiene estos dipolos aproximadamente opuestos, lo que representa un estado más estable y de menor energía.

Tanto la hiperconjugación como la minimización del dipolo contribuyen a la preferencia por la conformación (Z) de los ésteres sobre la conformación (E). En la conformación (Z), el par de electrones no enlazantes del oxígeno alfa puede donarse al orbital σ* del CO vecino. Además, el dipolo se minimiza en la conformación (Z) y se maximiza en la conformación (E). [ 7 ]

repulsiones nn y enlaces de hidrógeno C–H

Si se muestran los pares de electrones no enlazantes en los oxígenos del centro anomérico del 2-metoxipirano, un breve análisis de las conformaciones de los anómeros revela que el anómero β siempre tiene al menos un par de pares de electrones no enlazantes eclipsados ​​(coplanares con interacción 1,3), lo que indica una situación de alta energía. Por otro lado, el anómero α presenta conformaciones sin repulsiones nn, como ocurre en la conformación exo-anomérica. Se ha sugerido [referencias 7 y 8] que la repulsión nn energéticamente desfavorable presente en el anómero β, junto con el enlace de hidrógeno energéticamente favorable entre el H-5 axial y un par de electrones no enlazantes en el sustituyente α-anomérico axial (enlace de hidrógeno C–H/n), explica la mayor parte de la diferencia energética entre los anómeros, es decir, el efecto anomérico. El programa de mecánica molecular StruMM3D, que no está especialmente parametrizado para el efecto anomérico, estima que las contribuciones dipolares al efecto anomérico (principalmente la repulsión nn y el enlace de hidrógeno C–H comentado anteriormente) son de alrededor de 1,5 kcal/mol.

Influencias

Si bien el efecto anomérico es una explicación general para este tipo de estabilización de una molécula, el tipo y la cantidad de estabilización pueden verse afectados por los sustituyentes que se examinan, así como por el disolvente que se estudia.

Efecto del sustituyente

En un sistema cerrado, se observa una diferencia en el efecto anomérico para diferentes sustituyentes en un anillo de ciclohexano o tetrahidropirano (Y=Oxígeno). Cuando X=OH, se observa el efecto anomérico genérico, como se explicó anteriormente. Cuando X=CN, se observan los mismos resultados, donde se prefiere la posición ecuatorial en el anillo de ciclohexano, pero la posición axial se prefiere en el anillo de tetrahidropirano. Esto es consistente con la estabilización del efecto anomérico. Cuando X=F, el efecto anomérico se observa en ambos anillos. Sin embargo, cuando X=NH₂ , no se observa estabilización del efecto anomérico y ambos sistemas prefieren la posición ecuatorial. Esto se atribuye tanto a impedimentos estéricos como a un efecto denominado efecto anomérico inverso (véase más adelante). [ 3 ]

Efecto del disolvente

Una crítica común a la teoría de la hiperconjugación es que no explica por qué no se observa el efecto anomérico cuando las moléculas de tetrahidropirano sustituidas se colocan en disolventes polares , y la posición ecuatorial vuelve a ser la preferida. Sin embargo, se ha demostrado que la hiperconjugación sí depende del disolvente del sistema. Cada uno de los sistemas sustituidos descritos anteriormente se probó en fase gaseosa (es decir, sin disolvente) y en solución acuosa (es decir, disolvente polar). Cuando X=F, se observó el efecto anomérico en ambos medios, y la posición axial siempre fue la preferida. Esto se atribuye a la hiperconjugación. Cuando X=OH, se observó el efecto anomérico en fase gaseosa, cuando la posición axial era la preferida. Sin embargo, en soluciones acuosas, el sustituyente prefirió la posición ecuatorial. Esto se atribuye al hecho de que hay más repulsiones electrostáticas entre el sustituyente en posición axial y el disolvente polar, lo que hace que la posición ecuatorial sea la preferida. Cuando X=NH₂ , de nuevo, no se observó ningún efecto anomérico y la posición ecuatorial siempre fue la preferida. [ 13 ]

Superar el efecto anomérico

Si bien el efecto anomérico puede causar la estabilización de las moléculas, dicha estabilización tiene una magnitud determinada, y este valor puede verse contrarrestado por otros efectos más desestabilizadores en algunos casos.

En el ejemplo de los espirocetales , la orientación superior izquierda muestra estabilización por el efecto anomérico hiperconjugativo dos veces, estabilizando así considerablemente la orientación de la molécula. La orientación superior derecha solo muestra esta estabilización anomérica hiperconjugativa una vez, lo que la convierte en la estructura menos preferida. Sin embargo, cuando se añaden sustituyentes al esqueleto del espirocetal, la estructura preferida puede cambiar. Cuando se añade un sustituyente grande al esqueleto del espirocetal, como se observa en la parte inferior izquierda, la tensión que supone tener este sustituyente grande, R, en la posición axial desestabiliza considerablemente la molécula. En la molécula de la parte inferior derecha, R se encuentra ahora en la posición ecuatorial, lo que ya no causa desestabilización en la molécula. Por lo tanto, sin sustituyentes, la reacción de equilibrio superior se favorece en el lado izquierdo, mientras que el equilibrio inferior se favorece en el lado derecho, simplemente por la adición de un sustituyente grande y desestabilizador. [ 14 ]

Efecto anomérico exo

El efecto anomérico exo, una extensión del efecto anomérico, es la preferencia de los sustituyentes que salen de un anillo por adoptar la conformación gauche, mientras que los efectos estéricos sugerirían que se preferiría una conformación antiperiplanar.

Un ejemplo de esto es el 2-metoxitetrahidropirano. Como predice el efecto anomérico, el sustituyente metoxi muestra una mayor preferencia por la conformación axial. Sin embargo, en realidad existe más de una conformación axial posible debido a la rotación alrededor del enlace C–O entre el sustituyente metoxi y el anillo. Al aplicar los principios del efecto anomérico exo, se puede predecir que el conformero gauche es el preferido, lo que sugiere que la conformación superior izquierda es la mejor en la figura anterior. Esta predicción está respaldada por evidencia experimental. Además, esta preferencia por la posición gauche todavía se observa en la conformación ecuatorial. [ 15 ]

Efecto anomérico inverso

Este término se refiere a la preferencia aparente de los sustituyentes electropositivos por la conformación ecuatorial más allá de lo que predecirían las interacciones estéricas normales en anillos que contienen un átomo electronegativo, como el oxígeno. No se observa que los sustituyentes que contienen carbonos con cargas parciales positivas exhiban el mismo efecto. [ 16 ] Las explicaciones teóricas para el efecto anomérico inverso incluyen una explicación electrostática y la deslocalización de los electrones sp 3 del carbono anomérico y el par de electrones no enlazantes del oxígeno. [ 17 ] Existe cierto debate sobre si este es o no un fenómeno real. Los sustituyentes que contienen nitrógeno con los que se ha informado son bastante voluminosos, lo que hace difícil separar los efectos normales del volumen estérico y el efecto anomérico inverso, si es que existe. [ 18 ] Por ejemplo, en la molécula que se muestra a continuación, el sustituyente piridinio prefiere fuertemente la posición ecuatorial, como predecirían los factores estéricos, pero en realidad muestra una preferencia más fuerte por esta conformación de lo predicho, lo que sugiere que el efecto anomérico inverso está contribuyendo.

Efecto metaloanomérico

Los metales de transición tardía de los grupos 10, 11 y 12, cuando se ubican en el carbono anomérico, muestran fuertes preferencias axiales. [ 19 ] Este fenómeno, denominado efecto metaloanomérico, se origina a partir de interacciones hiperconjugativas estabilizadoras entre el oxígeno u otros heteroátomos con pares de electrones no enlazantes y orbitales antienlazantes C–M que actúan como buenos aceptores. El efecto metaloanomérico generalizado se refiere a la estabilización termodinámica de los conformeros sinclinales de compuestos con la fórmula general M–CH 2 –OR. Las preferencias axiales/ecuatoriales pueden verse influenciadas por los ligandos unidos al metal y la configuración electrónica. En términos generales, al pasar de un elemento más ligero a uno más pesado en el grupo, la magnitud del efecto metaloanomérico aumenta. Además, los estados de oxidación más altos favorecen los conformeros axiales/sinclinales.

Aplicaciones sintéticas

El efecto anomérico se tiene en cuenta sintéticamente. Debido a su descubrimiento en azúcares, la química de azúcares y carbohidratos es uno de los usos sintéticos más comunes del efecto anomérico. Por ejemplo, la glicosidación de Koenigs-Knorr introduce un grupo α-OR o β-OR con alta diastereoselectividad, lo cual se ve afectado por el efecto anomérico. La soforolipídica lactona , la (+)-lepicidina A y el (−)-litospermósido son algunos de los productos sintetizados mediante la glicosidación de Koenigs-Knorr, superando el efecto anomérico. [ 20 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (1996) " Efecto Anomérico ". doi : 10.1351/goldbook.A00372
  2. ↑ Juaristi, E.; Cuevas, G. (1992). "Estudios recientes del efecto anomérico". Tetrahedron . 48 (24): 5019– 5087. doi : 10.1016/S0040-4020(01)90118-8 .
  3. 1 2 Bauerfeldt, Glauco F.; Cardozo, Thiago M.; Pereira, Márcio S.; da Silva, Clarissa O. (1 de enero de 2013). "El efecto anomérico: el predominio de los efectos de intercambio en sistemas de capa cerrada". Organic & Biomolecular Chemistry . 11 (2): 299– 308. doi : 10.1039/c2ob26818c . PMID 23172415 . 
  4. ↑ Kirby, Anthony J. (1983). El efecto anomérico y los efectos estereoelectrónicos relacionados en el oxígeno; con 24 tablas . Berlín [ua]: Springer. ISBN 978-0-387-11684-6.
  5. ↑ "Blog de Química Mundial » Argumento anomérico" . Archivado del original el 16 de mayo de 2019. Consultado el 13 de septiembre de 2013 . 
  6. ↑ Sundberg, Francis A. Carey; Richard J. (2007). Química orgánica avanzada : Parte A: Estructura y mecanismos (5.ª ed.). Berlín: Springer US. pág. 229. ISBN    978-0-387-68346-1.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  7. ^ Cuevas , Eusebio Juaristi, Gabriel (1995). El efecto anomérico . Boca Ratón: CRC Press. ISBN 978-0-8493-8941-2.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  8. ↑ Vila, A.; Mosquera, RA (2007). "Interpretación de átomos en moléculas del efecto anomérico en la unidad O—C—O". J. Comput. Chem. 28 (9): 1516– 1530. doi : 10.1002/jcc.20585 . PMID 17330885 . S2CID 19238371 .  
  9. ↑ Box, VGS (1990). "El papel de las interacciones de pares solitarios en la química de los monosacáridos. El efecto anomérico" . Heterocycles . 31 (6): 1157– 1181. doi : 10.3987/REV-90-414 .
  10. ↑ Box, VGS (1991). "El papel de las interacciones de pares solitarios en la química de los monosacáridos. Efectos estereoelectrónicos en monosacáridos insaturados" . Heterocycles . 32 (4): 795–807 . doi : 10.3987/REV-91-425 .
  11. ↑ Sundberg, Francis A. Carey; Richard J. (2007). Química orgánica avanzada : Parte A: Estructura y mecanismos (5.ª ed.). Berlín: Springer US. ISBN   978-0-387-68346-1.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  12. ↑ Sundberg, Francis A. Carey; Richard J. (2007). Química orgánica avanzada : Parte A: Estructura y mecanismos (5.ª ed.). Berlín: Springer US. págs. 229–230 . ISBN    978-0-387-68346-1.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  13. ↑ Freitas, Matheus P. (1 de enero de 2013). "El efecto anomérico basado en el análisis de orbitales de enlace naturales". Organic & Biomolecular Chemistry . 11 (17): 2885– 90. doi : 10.1039/c3ob40187a . PMID 23515623 . 
  14. ↑ Perron, Francoise; Albizati, Kim F. (1 de noviembre de 1989). "Química de los espiroketales". Chemical Reviews . 89 (7): 1617– 1661. doi : 10.1021/cr00097a015 .
  15. ↑ Szarek, Walter A. (1979). Efecto anomérico: orígenes y consecuencias . Washington: American Chemical Society. ISBN 978-0-8412-0470-6.
  16. ↑ Kirby, AJ (1983). El efecto anomérico y efectos estereoelectrónicos relacionados en el oxígeno . Nueva York: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-11684-6.
  17. ↑ Perrin, Charles L. (octubre de 1995). "Efecto anomérico inverso: ¿realidad o ficción?". Tetrahedron . 51 (44): 11901– 11935. doi : 10.1016/0040-4020(95)00560-u . ISSN 0040-4020 . 
  18. ↑ Thatcher, Gregory RJ (1993). El efecto anomérico y los efectos estereoelectrónicos asociados . Washington: American Chemical Society. ISBN 978-0-8412-2729-3.
  19. ↑ Zhu, Feng; Walczak, Maciej A. (4 de agosto de 2020). "Estereoquímica de complejos de metales de transición controlada por el efecto metaloanomérico" . Journal of the American Chemical Society . 142 (35): 15127– 15136. Bibcode : 2020JAChS.14215127Z . doi : 10.1021/ jacs.0c06882 . PMC 9622273. PMID 32786781. S2CID 221121672 .   
  20. ↑ Kürti, László; Czakó, Barbara (2007). Aplicaciones estratégicas de reacciones con nombre en síntesis orgánica : antecedentes y mecanismos detallados; 250 reacciones con nombre (ed. en rústica, ed. en negrita). Ámsterdam [ua]: Elsevier Academic Press. ISBN   978-0-12-429785-2.
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