IChO 1993 · Theory problem 5
Asymmetric hydroboration of 1-methylcyclopentene
By treatment with a chiral optically active hydroborating agent (\(\ce{R2^{*}BH}\)) and subsequent oxidative work-up, 1-methylcyclopentene affords a mixture of alcohols that rotates the plane of the polarized light.
Questions:
5.1 Write the structures of the alcohols.
5.2 Assign the configurations (\(R, S\)) to the chiral centres.
5.3 Explain in a sentence why the obtained mixture of alcohols exhibits optical activity.
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1 The two enantiomers of trans-2-methylcyclopentan-1-ol: \((1R,2R)\)-2-methylcyclopentan-1-ol,
O[C@H]1[C@H](C)CCC1, and \((1S,2S)\)-2-methylcyclopentan-1-ol,O[C@@H]1[C@@H](C)CCC1. - 5.2 Numbering the hydroxyl-bearing carbon C1 and the methyl-bearing carbon C2, the configurations are \((1R,2R)\) and \((1S,2S)\).
- 5.3 The chiral hydroborating agent preferentially attacks one enantiotopic face of the alkene, producing unequal amounts of the two enantiomers, so their opposite optical rotations do not cancel.
Solution
5.1
The starting alkene is 1-methylcyclopentene, CC1=CCCC1.
Hydroboration follows anti-Markovnikov regiochemistry: boron attaches to the less substituted alkene carbon, while hydrogen attaches to the carbon bearing the methyl group. The hydrogen and boron add syn, from the same face of the double bond.
Oxidative work-up replaces the carbon–boron bond with a carbon–oxygen bond with retention of spatial configuration at carbon. Therefore, the resulting hydroxyl group and the newly introduced hydrogen on the adjacent carbon occupy the same ring face. The methyl group occupies the opposite face, making the hydroxyl and methyl groups trans.
Addition from the two faces gives the two enantiomers listed in Answer 5.1.
To depict their structures precisely, draw a pentagon with the hydroxyl-bearing C1 at the top and number the remaining ring carbons clockwise, placing the methyl group on C2:
- In one structure, draw the C1–\(\ce{OH}\) bond as a solid wedge toward the viewer and the C2–\(\ce{CH3}\) bond as a hashed wedge away.
- In the other structure, reverse both wedges.
These drawings specify configuration; they do not imply that the cyclopentane ring is actually planar.
5.2
The CIP priorities are:
| Stereocentre | Priority 1 | Priority 2 | Priority 3 | Priority 4 |
|---|---|---|---|---|
| C1 | Hydroxyl oxygen | Ring path through C2 | Ring path through C5 | Hydrogen |
| C2 | Ring path through C1 | Ring path through C3 | Methyl carbon | Hydrogen |
At C1, the two directly attached ring carbons are distinguished by their next attached atoms: C2 has \((\ce{C},\ce{C},\ce{H})\), whereas C5 has \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\). Thus, the path through C2 has higher priority.
At C2, the corresponding comparisons are:
\[ (\ce{O},\ce{C},\ce{H}) > (\ce{C},\ce{H},\ce{H}) > (\ce{H},\ce{H},\ce{H}), \]
giving the order C1 path \(>\) C3 path \(>\) methyl.
Applying these priorities to the specified drawings, the structure with hydroxyl toward the viewer and methyl away is \((1R,2R)\); reversing both wedges gives \((1S,2S)\).
The reagent’s detailed structure and absolute configuration are unspecified, so neither the predominant enantiomer nor the sign of optical rotation can be assigned.
5.3
The chiral reagent makes attack on the two enantiotopic alkene faces proceed through diastereomeric transition states of different energies, yielding unequal amounts of the two alcohol enantiomers whose optical rotations therefore do not cancel.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1993 · Theorieaufgabe 5
Asymmetrische Hydroborierung von 1-Methylcyclopenten
Durch Behandlung mit einem chiralen, optisch aktiven Hydroborierungsreagenz (\(\ce{R2^{*}BH}\)) und anschließende oxidative Aufarbeitung liefert 1-Methylcyclopenten ein Gemisch von Alkoholen, das die Ebene des polarisierten Lichts dreht.
Fragen:
5.1 Geben Sie die Strukturformeln der Alkohole an.
5.2 Ordnen Sie den chiralen Zentren die Konfigurationen (\(R, S\)) zu.
5.3 Erklären Sie in einem Satz, warum das erhaltene Alkoholgemisch optische Aktivität aufweist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1 Die beiden Enantiomere von trans-2-Methylcyclopentan-1-ol: \((1R,2R)\)-2-Methylcyclopentan-1-ol,
O[C@H]1[C@H](C)CCC1, und \((1S,2S)\)-2-Methylcyclopentan-1-ol,O[C@@H]1[C@@H](C)CCC1. - 5.2 Wird das Kohlenstoffatom mit der Hydroxygruppe als C1 und das Kohlenstoffatom mit der Methylgruppe als C2 nummeriert, lauten die Konfigurationen \((1R,2R)\) und \((1S,2S)\).
- 5.3 Das chirale Hydroborierungsreagenz greift bevorzugt eine der enantiotopen Seiten des Alkens an, wodurch die beiden Enantiomere in ungleichen Mengen entstehen, sodass sich ihre entgegengesetzten optischen Drehungen nicht aufheben.
Lösung
5.1
Das Ausgangsalken ist 1-Methylcyclopenten, CC1=CCCC1.
Die Hydroborierung folgt der Anti-Markownikow-Regiochemie: Bor bindet an das weniger substituierte Kohlenstoffatom des Alkens, während Wasserstoff an das Kohlenstoffatom bindet, das die Methylgruppe trägt. Wasserstoff und Bor werden syn, von derselben Seite der Doppelbindung, addiert.
Bei der oxidativen Aufarbeitung wird die Kohlenstoff–Bor-Bindung durch eine Kohlenstoff–Sauerstoff-Bindung ersetzt, wobei die räumliche Konfiguration am Kohlenstoffatom erhalten bleibt. Daher befinden sich die entstehende Hydroxygruppe und das neu eingeführte Wasserstoffatom am benachbarten Kohlenstoffatom auf derselben Seite des Rings. Die Methylgruppe befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite, sodass Hydroxy- und Methylgruppe trans zueinander stehen.
Die Addition von den beiden Seiten ergibt die beiden in Antwort 5.1 aufgeführten Enantiomere.
Um ihre Strukturen genau darzustellen, zeichnen Sie ein Fünfeck mit dem die Hydroxygruppe tragenden C1 an der Spitze und nummerieren Sie die übrigen Ringkohlenstoffatome im Uhrzeigersinn, wobei Sie die Methylgruppe an C2 anbringen:
- Zeichnen Sie in einer Struktur die C1–\(\ce{OH}\)-Bindung als ausgefüllten Keil zum Betrachter hin und die C2–\(\ce{CH3}\)-Bindung als gestrichelten Keil vom Betrachter weg.
- Kehren Sie in der anderen Struktur beide Keile um.
Diese Zeichnungen legen die Konfiguration fest; sie bedeuten nicht, dass der Cyclopentanring tatsächlich planar ist.
5.2
Die CIP-Prioritäten lauten:
| Stereozentrum | Priorität 1 | Priorität 2 | Priorität 3 | Priorität 4 |
|---|---|---|---|---|
| C1 | Sauerstoff der Hydroxygruppe | Ringpfad über C2 | Ringpfad über C5 | Wasserstoff |
| C2 | Ringpfad über C1 | Ringpfad über C3 | Kohlenstoff der Methylgruppe | Wasserstoff |
An C1 werden die beiden direkt gebundenen Ringkohlenstoffatome anhand der jeweils als Nächstes gebundenen Atome unterschieden: C2 trägt \((\ce{C},\ce{C},\ce{H})\), während C5 \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\) trägt. Somit hat der Pfad über C2 die höhere Priorität.
An C2 ergeben sich die entsprechenden Vergleiche:
\[ (\ce{O},\ce{C},\ce{H}) > (\ce{C},\ce{H},\ce{H}) > (\ce{H},\ce{H},\ce{H}), \]
woraus sich die Reihenfolge Pfad über C1 \(>\) Pfad über C3 \(>\) Methyl ergibt.
Wendet man diese Prioritäten auf die beschriebenen Zeichnungen an, so hat die Struktur mit der Hydroxygruppe zum Betrachter hin und der Methylgruppe vom Betrachter weg die Konfiguration \((1R,2R)\); das Umkehren beider Keile ergibt \((1S,2S)\).
Die genaue Struktur und die absolute Konfiguration des Reagenzes sind nicht angegeben, sodass weder das vorherrschende Enantiomer noch das Vorzeichen der optischen Drehung zugeordnet werden kann.
5.3
Das chirale Reagenz bewirkt, dass der Angriff auf die beiden enantiotopen Seiten des Alkens über diastereomere Übergangszustände unterschiedlicher Energie verläuft, wodurch die beiden Alkohol-Enantiomere in ungleichen Mengen entstehen und sich ihre optischen Drehungen daher nicht aufheben.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1993 · Teori sorusu 5
1-metilsiklopentenin asimetrik hidroborasyonu
1-metilsiklopenten, kiral ve optikçe aktif bir hidroborasyon reaktifi (\(\ce{R2^{*}BH}\)) ile tepkimeye sokulup ardından yükseltgen işleme tabi tutulduğunda, polarize ışığın düzlemini döndüren bir alkol karışımı verir.
Sorular:
5.1 Alkollerin yapılarını yazınız.
5.2 Kiral merkezlerin konfigürasyonlarını (\(R, S\)) belirleyiniz.
5.3 Elde edilen alkol karışımının neden optik aktivite gösterdiğini bir cümleyle açıklayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1 trans-2-metilsiklopentan-1-ol bileşiğinin iki enantiyomeri: \((1R,2R)\)-2-metilsiklopentan-1-ol,
O[C@H]1[C@H](C)CCC1, ve \((1S,2S)\)-2-metilsiklopentan-1-ol,O[C@@H]1[C@@H](C)CCC1. - 5.2 Hidroksil grubunu taşıyan karbon C1, metil grubunu taşıyan karbon C2 olarak numaralandırıldığında, konfigürasyonlar \((1R,2R)\) ve \((1S,2S)\) olur.
- 5.3 Kiral hidroborasyon reaktifi, alkenin enantiyotopik yüzlerinden birine tercihli olarak saldırarak iki enantiyomerin eşit olmayan miktarlarda oluşmasını sağlar; bu nedenle bunların zıt yönlü optik döndürmeleri birbirini götürmez.
Çözüm
5.1
Başlangıç alkeni 1-metilsiklopenten, CC1=CCCC1, bileşiğidir.
Hidroborasyon, anti-Markovnikov bölgesel seçiciliğine uyar: bor, daha az sübstitüe olmuş alken karbonuna bağlanırken hidrojen, metil grubunu taşıyan karbona bağlanır. Hidrojen ve bor, çift bağın aynı yüzünden syn olarak katılır.
Yükseltgen işlem, karbon–bor bağını karbondaki uzaysal konfigürasyon korunarak bir karbon–oksijen bağına dönüştürür. Bu nedenle, oluşan hidroksil grubu ile komşu karbona yeni bağlanan hidrojen, halkanın aynı yüzünde yer alır. Metil grubu karşı yüzde yer aldığından, hidroksil ve metil grupları birbirine göre trans konumundadır.
İki yüzden gerçekleşen katılma, Cevap 5.1'de verilen iki enantiyomeri oluşturur.
Yapılarını tam olarak göstermek için, hidroksil grubunu taşıyan C1 üstte olacak şekilde bir beşgen çiziniz ve halkadaki diğer karbonları saat yönünde numaralandırarak metil grubunu C2'ye yerleştiriniz:
- Yapılardan birinde C1–\(\ce{OH}\) bağını gözlemciye doğru yönelen dolu bir kama, C2–\(\ce{CH3}\) bağını ise gözlemciden uzağa yönelen taralı bir kama olarak çiziniz.
- Diğer yapıda her iki kamanın yönünü tersine çeviriniz.
Bu çizimler konfigürasyonu belirtir; siklopentan halkasının gerçekte düzlemsel olduğu anlamına gelmez.
5.2
CIP öncelikleri şöyledir:
| Stereomerkez | Öncelik 1 | Öncelik 2 | Öncelik 3 | Öncelik 4 |
|---|---|---|---|---|
| C1 | Hidroksil oksijeni | C2 üzerinden ilerleyen halka yolu | C5 üzerinden ilerleyen halka yolu | Hidrojen |
| C2 | C1 üzerinden ilerleyen halka yolu | C3 üzerinden ilerleyen halka yolu | Metil karbonu | Hidrojen |
C1'de, doğrudan bağlı iki halka karbonu, kendilerine bağlı bir sonraki atomlar karşılaştırılarak ayırt edilir: C2'ye \((\ce{C},\ce{C},\ce{H})\) bağlıyken C5'e \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\) bağlıdır. Dolayısıyla C2 üzerinden ilerleyen yol daha yüksek önceliğe sahiptir.
C2'de karşılık gelen karşılaştırmalar şöyledir:
\[ (\ce{O},\ce{C},\ce{H}) > (\ce{C},\ce{H},\ce{H}) > (\ce{H},\ce{H},\ce{H}), \]
böylece C1 üzerinden ilerleyen yol \(>\) C3 üzerinden ilerleyen yol \(>\) metil sıralaması elde edilir.
Bu öncelikler belirtilen çizimlere uygulandığında, hidroksilin gözlemciye doğru, metilin ise gözlemciden uzağa yöneldiği yapı \((1R,2R)\) konfigürasyonundadır; her iki kamanın yönünün tersine çevrilmesi \((1S,2S)\) konfigürasyonunu verir.
Reaktifin ayrıntılı yapısı ve mutlak konfigürasyonu belirtilmediğinden, ne baskın enantiyomer ne de optik döndürmenin işareti belirlenebilir.
5.3
Kiral reaktif, alkenin iki enantiyotopik yüzüne saldırının farklı enerjilere sahip diastereomerik geçiş durumları üzerinden ilerlemesini sağlayarak iki alkol enantiyomerinin eşit olmayan miktarlarda oluşmasına yol açar; bu nedenle bunların optik döndürmeleri birbirini götürmez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1993 · Problema teórico 5
Hidroboración asimétrica del 1-metilciclopenteno
Mediante el tratamiento con un agente hidroborante quiral ópticamente activo (\(\ce{R2^{*}BH}\)) y un posterior tratamiento oxidativo, el 1-metilciclopenteno da lugar a una mezcla de alcoholes que hace girar el plano de la luz polarizada.
Preguntas:
5.1 Escriba las estructuras de los alcoholes.
5.2 Asigne las configuraciones (\(R, S\)) a los centros quirales.
5.3 Explique en una frase por qué la mezcla de alcoholes obtenida presenta actividad óptica.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1 Los dos enantiómeros del trans-2-metilciclopentan-1-ol: \((1R,2R)\)-2-metilciclopentan-1-ol,
O[C@H]1[C@H](C)CCC1, y \((1S,2S)\)-2-metilciclopentan-1-ol,O[C@@H]1[C@@H](C)CCC1. - 5.2 Numerando como C1 el carbono que lleva el grupo hidroxilo y como C2 el carbono que lleva el grupo metilo, las configuraciones son \((1R,2R)\) y \((1S,2S)\).
- 5.3 El agente hidroborante quiral ataca preferentemente una de las caras enantiotópicas del alqueno, produciendo cantidades desiguales de los dos enantiómeros, de modo que sus rotaciones ópticas opuestas no se compensan.
Solución
5.1
El alqueno de partida es el 1-metilciclopenteno, CC1=CCCC1.
La hidroboración sigue una regioquímica anti-Markovnikov: el boro se une al carbono menos sustituido del alqueno, mientras que el hidrógeno se une al carbono que lleva el grupo metilo. El hidrógeno y el boro se adicionan de forma syn, por la misma cara del doble enlace.
El tratamiento oxidativo sustituye el enlace carbono–boro por un enlace carbono–oxígeno con retención de la configuración espacial en el carbono. Por tanto, el grupo hidroxilo resultante y el hidrógeno recién introducido en el carbono adyacente ocupan la misma cara del anillo. El grupo metilo ocupa la cara opuesta, de modo que los grupos hidroxilo y metilo quedan en disposición trans.
La adición por las dos caras da lugar a los dos enantiómeros indicados en la Respuesta 5.1.
Para representar sus estructuras con precisión, dibuje un pentágono con el C1 que lleva el grupo hidroxilo en la parte superior y numere los restantes carbonos del anillo en sentido horario, colocando el grupo metilo en C2:
- En una estructura, dibuje el enlace C1–\(\ce{OH}\) como una cuña sólida dirigida hacia el observador y el enlace C2–\(\ce{CH3}\) como una cuña rayada dirigida en sentido opuesto al observador.
- En la otra estructura, invierta ambas cuñas.
Estas representaciones especifican la configuración; no implican que el anillo de ciclopentano sea realmente plano.
5.2
Las prioridades CIP son:
| Estereocentro | Prioridad 1 | Prioridad 2 | Prioridad 3 | Prioridad 4 |
|---|---|---|---|---|
| C1 | Oxígeno del hidroxilo | Recorrido del anillo a través de C2 | Recorrido del anillo a través de C5 | Hidrógeno |
| C2 | Recorrido del anillo a través de C1 | Recorrido del anillo a través de C3 | Carbono del metilo | Hidrógeno |
En C1, los dos carbonos del anillo unidos directamente se distinguen por los átomos unidos a ellos en el siguiente nivel: C2 tiene \((\ce{C},\ce{C},\ce{H})\), mientras que C5 tiene \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\). Por tanto, el recorrido a través de C2 tiene mayor prioridad.
En C2, las comparaciones correspondientes son:
\[ (\ce{O},\ce{C},\ce{H}) > (\ce{C},\ce{H},\ce{H}) > (\ce{H},\ce{H},\ce{H}), \]
lo que da el orden recorrido por C1 \(>\) recorrido por C3 \(>\) metilo.
Al aplicar estas prioridades a las representaciones especificadas, la estructura con el hidroxilo dirigido hacia el observador y el metilo en sentido opuesto es \((1R,2R)\); al invertir ambas cuñas se obtiene \((1S,2S)\).
No se especifican la estructura detallada ni la configuración absoluta del reactivo, por lo que no se pueden asignar ni el enantiómero predominante ni el signo de la rotación óptica.
5.3
El reactivo quiral hace que el ataque a las dos caras enantiotópicas del alqueno transcurra a través de estados de transición diastereoméricos de distinta energía, lo que produce cantidades desiguales de los dos enantiómeros del alcohol, cuyas rotaciones ópticas, por tanto, no se compensan.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1993 · 理论题 5
1-甲基环戊烯的不对称硼氢化反应
用具有光学活性的手性硼氢化试剂(\(\ce{R2^{*}BH}\))处理1-甲基环戊烯,再进行氧化后处理,可得到一种能使偏振光的偏振面旋转的醇混合物。
问题:
5.1 写出这些醇的结构。
5.2 指定各手性中心的构型(\(R, S\))。
5.3 用一句话解释所得醇混合物为什么具有光学活性。
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1 反式-2-甲基环戊烷-1-醇的两个对映异构体:\((1R,2R)\)-2-甲基环戊烷-1-醇,
O[C@H]1[C@H](C)CCC1,和\((1S,2S)\)-2-甲基环戊烷-1-醇,O[C@@H]1[C@@H](C)CCC1。 - 5.2 将连接羟基的碳原子编号为C1,连接甲基的碳原子编号为C2,则构型分别为\((1R,2R)\)和\((1S,2S)\)。
- 5.3 手性硼氢化试剂优先进攻烯烃的一个对映异位面,生成的两个对映异构体的量不相等,因此它们方向相反的旋光作用不能相互抵消。
解答
5.1
起始烯烃为1-甲基环戊烯,CC1=CCCC1。
硼氢化反应具有反马尔科夫尼科夫的区域选择性:硼连接到取代程度较低的烯烃碳原子上,而氢连接到带有甲基的碳原子上。氢和硼从双键的同一面发生同面加成。
氧化后处理将碳–硼键转化为碳–氧键,同时保持碳原子处的空间构型。因此,生成的羟基与相邻碳原子上新引入的氢位于环的同一面。甲基位于另一面,因此羟基与甲基呈反式关系。
从两个面发生加成,分别得到答案5.1中列出的两个对映异构体。
为准确表示它们的结构,画一个五边形,将连接羟基的C1置于顶部,沿顺时针方向对其余环碳原子编号,并将甲基置于C2上:
- 在其中一个结构中,将C1–\(\ce{OH}\)键画成朝向观察者的实楔形键,将C2–\(\ce{CH3}\)键画成背向观察者的虚楔形键。
- 在另一个结构中,将这两个楔形键的方向都反转。
这些图示用于明确构型,并不意味着环戊烷环实际上是平面的。
5.2
CIP优先次序如下:
| 立体中心 | 优先次序1 | 优先次序2 | 优先次序3 | 优先次序4 |
|---|---|---|---|---|
| C1 | 羟基氧原子 | 经C2的环路径 | 经C5的环路径 | 氢原子 |
| C2 | 经C1的环路径 | 经C3的环路径 | 甲基碳原子 | 氢原子 |
在C1处,通过比较与两个直接相连的环碳原子各自相连的下一层原子来区分二者:C2连接的是\((\ce{C},\ce{C},\ce{H})\),而C5连接的是\((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\)。因此,经C2的路径具有更高的优先次序。
在C2处,相应的比较为:
\[ (\ce{O},\ce{C},\ce{H}) > (\ce{C},\ce{H},\ce{H}) > (\ce{H},\ce{H},\ce{H}), \]
由此得到的次序为:经C1的路径 \(>\) 经C3的路径 \(>\) 甲基。
将上述优先次序应用于所指定的结构图,羟基朝向观察者、甲基背向观察者的结构为\((1R,2R)\);将两个楔形键的方向都反转,则得到\((1S,2S)\)。
题目未给出试剂的具体结构和绝对构型,因此既不能确定哪一个对映异构体占优势,也不能确定旋光的正负号。
5.3
手性试剂使对烯烃两个对映异位面的进攻分别经过能量不同的非对映异构过渡态,从而生成不等量的两个醇对映异构体,因此它们的旋光作用不能相互抵消。
解答已与官方解答核对。
IChO 1993 · Теоретическая задача 5
Асимметрическое гидроборирование 1-метилциклопентена
При обработке хиральным оптически активным гидроборирующим реагентом (\(\ce{R2^{*}BH}\)) с последующей окислительной обработкой 1-метилциклопентен образует смесь спиртов, вращающую плоскость поляризации света.
Вопросы:
5.1 Напишите структурные формулы спиртов.
5.2 Укажите конфигурации (\(R, S\)) хиральных центров.
5.3 Объясните одним предложением, почему полученная смесь спиртов проявляет оптическую активность.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1 Два энантиомера транс-2-метилциклопентан-1-ола: \((1R,2R)\)-2-метилциклопентан-1-ол,
O[C@H]1[C@H](C)CCC1, и \((1S,2S)\)-2-метилциклопентан-1-ол,O[C@@H]1[C@@H](C)CCC1. - 5.2 Если обозначить атом углерода, несущий гидроксильную группу, как C1, а атом углерода, несущий метильную группу, как C2, то конфигурации будут \((1R,2R)\) и \((1S,2S)\).
- 5.3 Хиральный гидроборирующий реагент преимущественно атакует одну из энантиотопных сторон алкена, в результате чего два энантиомера образуются в неравных количествах, поэтому их противоположные оптические вращения не компенсируют друг друга.
Решение
5.1
Исходный алкен — 1-метилциклопентен, CC1=CCCC1.
Гидроборирование протекает с региоселективностью против правила Марковникова: бор присоединяется к менее замещённому атому углерода алкена, а водород — к атому углерода, несущему метильную группу. Водород и бор присоединяются син, с одной и той же стороны двойной связи.
При окислительной обработке связь углерод–бор заменяется связью углерод–кислород с сохранением пространственной конфигурации при атоме углерода. Поэтому образующаяся гидроксильная группа и вновь присоединённый атом водорода при соседнем атоме углерода располагаются по одну сторону кольца. Метильная группа располагается по другую сторону, поэтому гидроксильная и метильная группы находятся в транс-положении.
Присоединение с двух сторон приводит к образованию двух энантиомеров, перечисленных в ответе 5.1.
Чтобы точно изобразить их структуры, нарисуйте пятиугольник с несущим гидроксильную группу атомом C1 в верхней вершине и пронумеруйте остальные атомы углерода кольца по часовой стрелке, поместив метильную группу при C2:
- В одной структуре изобразите связь C1–\(\ce{OH}\) сплошным клином, направленным к наблюдателю, а связь C2–\(\ce{CH3}\) — штриховым клином, направленным от наблюдателя.
- В другой структуре измените направления обоих клиньев на противоположные.
Эти рисунки задают конфигурацию; они не означают, что циклопентановое кольцо в действительности плоское.
5.2
Приоритеты по правилам CIP:
| Стереоцентр | Приоритет 1 | Приоритет 2 | Приоритет 3 | Приоритет 4 |
|---|---|---|---|---|
| C1 | Атом кислорода гидроксильной группы | Путь по кольцу через C2 | Путь по кольцу через C5 | Водород |
| C2 | Путь по кольцу через C1 | Путь по кольцу через C3 | Атом углерода метильной группы | Водород |
При C1 два непосредственно связанных с ним атома углерода кольца различаются по следующему набору связанных с ними атомов: для C2 это \((\ce{C},\ce{C},\ce{H})\), а для C5 — \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\). Следовательно, путь через C2 имеет более высокий приоритет.
При C2 соответствующие сравнения имеют вид:
\[ (\ce{O},\ce{C},\ce{H}) > (\ce{C},\ce{H},\ce{H}) > (\ce{H},\ce{H},\ce{H}), \]
что даёт следующий порядок: путь через C1 \(>\) путь через C3 \(>\) метильная группа.
Применяя эти приоритеты к указанным рисункам, получаем, что структура с гидроксильной группой, направленной к наблюдателю, и метильной группой, направленной от наблюдателя, имеет конфигурацию \((1R,2R)\); изменение направления обоих клиньев на противоположное даёт \((1S,2S)\).
Подробное строение и абсолютная конфигурация реагента не указаны, поэтому нельзя определить ни преобладающий энантиомер, ни знак оптического вращения.
5.3
В присутствии хирального реагента атака на две энантиотопные стороны алкена протекает через диастереомерные переходные состояния с различными энергиями, что приводит к образованию двух энантиомеров спирта в неравных количествах, поэтому их оптические вращения не компенсируют друг друга.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1993 · مسألة نظرية 5
الهيدروبورة غير المتناظرة لـ 1-ميثيل سيكلوبنتين
عند معالجة 1-ميثيل سيكلوبنتين بكاشف هيدروبورة كيرالي ذي نشاط ضوئي (\(\ce{R2^{*}BH}\)) ثم إجراء معالجة تأكسدية لاحقة، ينتج مزيج من الكحولات يدير مستوى الضوء المستقطب.
الأسئلة:
5.1 اكتب الصيغ البنائية للكحولات.
5.2 عيّن التشكيلات (\(R, S\)) للمراكز الكيرالية.
5.3 وضّح في جملة واحدة لماذا يُظهر مزيج الكحولات الناتج نشاطًا ضوئيًا.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1 المتماكبان المرآتيان لـ ترانس-2-ميثيل سيكلوبنتان-1-ول: \((1R,2R)\)-2-ميثيل سيكلوبنتان-1-ول،
O[C@H]1[C@H](C)CCC1، و\((1S,2S)\)-2-ميثيل سيكلوبنتان-1-ول،O[C@@H]1[C@@H](C)CCC1. - 5.2 عند ترقيم ذرة الكربون الحاملة لمجموعة الهيدروكسيل بالرمز C1 وذرة الكربون الحاملة لمجموعة الميثيل بالرمز C2، يكون التشكيلان هما \((1R,2R)\) و\((1S,2S)\).
- 5.3 يهاجم كاشف الهيدروبورة الكيرالي تفضيليًا أحد وجهي الألكين المتكافئين مرآتيًا، فينتج كميتين غير متساويتين من المتماكبين المرآتيين، ومن ثم لا يُلغي دوراناهما الضوئيان المتعاكسان أحدهما الآخر.
الحل
5.1
الألكين الابتدائي هو 1-ميثيل سيكلوبنتين، CC1=CCCC1.
تتبع الهيدروبورة انتقائية موضعية مضادة لقاعدة ماركوفنيكوف: يرتبط البورون بذرة كربون الألكين الأقل استبدالًا، بينما يرتبط الهيدروجين بذرة الكربون الحاملة لمجموعة الميثيل. وتحدث إضافة الهيدروجين والبورون على الجانب نفسه (سين)، من الوجه نفسه للرابطة المزدوجة.
تستبدل المعالجة التأكسدية اللاحقة رابطة الكربون–البورون برابطة كربون–أكسجين مع الاحتفاظ بالتشكيل الفراغي عند ذرة الكربون. لذلك، تقع مجموعة الهيدروكسيل الناتجة وذرة الهيدروجين المضافة حديثًا إلى ذرة الكربون المجاورة على الوجه نفسه من الحلقة. وتقع مجموعة الميثيل على الوجه المقابل، مما يجعل مجموعتي الهيدروكسيل والميثيل في وضع ترانس.
تؤدي الإضافة من الوجهين إلى المتماكبين المرآتيين المذكورين في الإجابة 5.1.
لتمثيل صيغتيهما البنائيتين بدقة، ارسم مضلعًا خماسيًا تكون فيه ذرة C1 الحاملة لمجموعة الهيدروكسيل في الأعلى، ورقّم ذرات الكربون المتبقية في الحلقة باتجاه عقارب الساعة، مع وضع مجموعة الميثيل على C2:
- في إحدى الصيغتين، ارسم رابطة C1–\(\ce{OH}\) على هيئة إسفين مصمت متجه نحو الناظر، ورابطة C2–\(\ce{CH3}\) على هيئة إسفين مخطّط متجه بعيدًا عنه.
- في الصيغة الأخرى، اعكس اتجاه الإسفينين كليهما.
تحدّد هذه الرسوم التشكيل؛ ولا تعني أن حلقة السيكلوبنتان مستوية بالفعل.
5.2
الأولويات وفق قواعد CIP هي:
| المركز الفراغي | الأولوية 1 | الأولوية 2 | الأولوية 3 | الأولوية 4 |
|---|---|---|---|---|
| C1 | أكسجين الهيدروكسيل | مسار الحلقة عبر C2 | مسار الحلقة عبر C5 | الهيدروجين |
| C2 | مسار الحلقة عبر C1 | مسار الحلقة عبر C3 | كربون الميثيل | الهيدروجين |
عند C1، تُميَّز ذرتا كربون الحلقة المرتبطتان مباشرةً به بالنظر إلى الذرات المرتبطة بهما في المستوى التالي: ترتبط C2 بـ \((\ce{C},\ce{C},\ce{H})\)، بينما ترتبط C5 بـ \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\). ولذلك، تكون الأولوية أعلى للمسار عبر C2.
عند C2، تكون المقارنات المقابلة كما يلي:
\[ (\ce{O},\ce{C},\ce{H}) > (\ce{C},\ce{H},\ce{H}) > (\ce{H},\ce{H},\ce{H}), \]
مما يعطي الترتيب: المسار عبر C1 \(>\) المسار عبر C3 \(>\) الميثيل.
بتطبيق هذه الأولويات على الرسوم المحدّدة، يكون تشكيل الصيغة التي تتجه فيها مجموعة الهيدروكسيل نحو الناظر ومجموعة الميثيل بعيدًا عنه هو \((1R,2R)\)؛ ويعطي عكس اتجاه الإسفينين كليهما التشكيل \((1S,2S)\).
لم تُحدَّد البنية التفصيلية للكاشف ولا تشكيله المطلق، لذلك لا يمكن تعيين المتماكب المرآتي الغالب أو إشارة الدوران الضوئي.
5.3
يجعل الكاشف الكيرالي الهجوم على وجهي الألكين المتكافئين مرآتيًا يمرّ عبر حالتين انتقاليتين متماكبتين فراغيًا وغير مرآتيتين، مختلفتين في الطاقة، مما ينتج كميتين غير متساويتين من المتماكبين المرآتيين للكحول، فلا يُلغي دوراناهما الضوئيان أحدهما الآخر.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.