IChO 2017 · Theory problem 9

Into the Unknown

Download PDFIChO 2017

Organic compound A is chiral and contains only three elements with the molecular weight (MW) of 149 (rounded to an integer).

\({}^{1}\mathrm{H}\) NMR spectrum of compound A shows among others, three types of aromatic protons, and its \({}^{13}\mathrm{C}\) NMR spectrum shows eight signals, of which four signals are in the range of 120-140 ppm.

Compound A can be prepared by treating a carbonyl compound with methylamine followed by \(\ce{NaBH3CN}\).

9.1 Write all possible structural formulae of compound A. No stereochemistry is required, and do not include stereoisomers.

9.2 One of the position isomers of compound A (structure A1, A2 or A3) can be synthesized from compound B or C and D as shown in the diagram below. Write down the structural formulae of compounds B-F, and the position isomer of compound A.

9.3 Compound A is the \((R)\)-form of one of structures A1–A3. It can be prepared from vicinal diols X and Y as shown in the diagram below. Both diols are structural isomers, and each structure contains one carbon less than that of compound A.

Write down the structural formulae of compounds G-N, X, Y and the \((R)\)-form of compound A. You must show stereochemistry of all compounds.

Official English text of the problem.

Answers

The labels A1–A3 below are assigned for this solution. \(\ce{Ph}\) denotes the phenyl group, attachment-point SMILES [*]c1ccccc1.

9.1. The three intended constitutional isomers are:

Label	Name	Condensed structure	SMILES
A1	N-Methyl-1-phenylpropan-1-amine	\(\ce{PhCH(NHCH3)CH2CH3}\)	`CCC(NC)c1ccccc1`
A2	N-Methyl-1-phenylpropan-2-amine	\(\ce{PhCH2CH(NHCH3)CH3}\)	`CC(NC)Cc1ccccc1`
A3	N-Methyl-2-phenylpropan-1-amine	\(\ce{PhCH(CH3)CH2NHCH3}\)	`CC(CNC)c1ccccc1`

9.2. B–F and the selected position isomer cannot be identified uniquely: the reaction diagram containing their relationships and reagents is not printed in the problem.
9.3. X and Y each contain nine carbon atoms. Their structures and stereochemistry, the assignments G–N, and the identity of the selected A cannot be determined without the missing diagram. The three possible \((R)\)-configured final structures are:

Candidate	Name	Stereochemical SMILES
\((R)\)-A1	(1R)-N-Methyl-1-phenylpropan-1-amine	`CC[C@@H](NC)c1ccccc1`
\((R)\)-A2	(2R)-N-Methyl-1-phenylpropan-2-amine	`C[C@@H](NC)Cc1ccccc1`
\((R)\)-A3	(2R)-N-Methyl-2-phenylpropan-1-amine	`C[C@@H](CNC)c1ccccc1`

Solution

9.1

Methylamine, CN, and sodium cyanoborohydride, [Na+].[BH3-]C#N, perform reductive amination. The carbonyl group is converted into a carbon bearing an N-methylamino group, \(\ce{-NHCH3}\).

The balanced net transformation, with \(\ce{2[H]}\) representing the reducing equivalents supplied during reduction, is

\[ \ce{R^1C(=O)R^2 + CH3NH2 + 2[H] -> R^1CH(NHCH3)R^2 + H2O}. \]

The coproduct is water, O. For an aldehyde, one of the groups \(\ce{R^1}\) or \(\ce{R^2}\) is hydrogen.

Mechanistically, methylamine attacks the carbonyl carbon. Proton transfers and elimination of water generate an imine/iminium intermediate; hydride addition to its carbon produces the amine.

Since the product contains carbon, hydrogen and nitrogen, these account for its three elements.

The usual interpretation of the NMR pattern is a monosubstituted benzene ring:

The aromatic protons occupy three environments: ortho, meta and para, normally corresponding to \(2:2:1\) protons.
The aromatic carbons occupy four environments: ipso, ortho, meta and para.

Thus six aromatic carbon atoms account for four carbon signals. The other four signals correspond to four different nonaromatic carbon atoms, giving ten carbon atoms altogether. With one nitrogen atom, the molecular mass requires fifteen hydrogens:

\[ 10(12)+15(1)+14=149. \]

Hence the molecular formula is

\[ \boxed{\ce{C10H15N}}, \qquad M\approx149\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

Its degree of unsaturation is

\[ \mathrm{DBE} =\frac{2(10)+2+1-15}{2} =4. \]

The benzene ring accounts for all four degrees of unsaturation. The remaining part must therefore be saturated and acyclic.

One of the four nonaromatic carbons belongs to the N-methyl group. Arranging the other three carbons between the phenyl and N-methylamino groups gives the three chiral structures listed in the answers:

A1: the stereogenic carbon bears \(\ce{NHCH3}\), phenyl, ethyl and hydrogen.
A2: the stereogenic carbon bears \(\ce{NHCH3}\), benzyl, methyl and hydrogen.
A3: the stereogenic carbon bears \(\ce{CH2NHCH3}\), phenyl, methyl and hydrogen.

Each has four distinct nonaromatic carbon environments, consistent with eight carbon signals overall.

The other saturated arrangements do not satisfy the chirality requirement. N-Methyl-3-phenylpropan-1-amine, CNCCCc1ccccc1, has no carbon stereocentre. N-Methyl-2-phenylpropan-2-amine, CNC(C)(C)c1ccccc1, has two identical methyl groups on its substituted carbon; it also lacks the carbon-bound hydrogen introduced by ordinary reductive amination. Nitrogen inversion does not furnish a configurationally stable stereocentre in these ordinary acyclic amines.

The corresponding carbonyl precursors confirm the stated preparation:

Product	Carbonyl precursor	Precursor SMILES
A1	1-Phenylpropan-1-one, or propiophenone	`CCC(=O)c1ccccc1`
A2	1-Phenylpropan-2-one, or phenylacetone	`CC(=O)Cc1ccccc1`
A3	2-Phenylpropanal	`CC(C=O)c1ccccc1`

Their balanced net reactions are

\[ \ce{PhCOCH2CH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(NHCH3)CH2CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH2COCH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH2CH(NHCH3)CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH(CH3)CHO + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(CH3)CH2NHCH3 + H2O}. \]

For A3, the stereogenic carbon is already present in the aldehyde precursor.

9.2

The supplied text gives no structures, reagents, reaction conditions or connectivity between the labels B–F. Those details reside in the missing diagram.

The carbonyl precursors above establish possible preparations of all three candidates, but they cannot be assigned to B–F without the scheme. Nor does the remaining text select one position isomer. Providing specific assignments would therefore require inventing information.

9.3

From part 9.1, A contains ten carbon atoms. Therefore,

\[ n_{\mathrm C}(X)=n_{\mathrm C}(Y)=10-1=\boxed{9}. \]

A vicinal diol has hydroxyl groups on adjacent carbon atoms. This condition, structural isomerism and the carbon count do not fix the carbon skeletons or absolute configurations of X and Y. The omitted reactions are also needed to determine where stereochemistry is retained, inverted or newly established in G–N.

The \((R)\) requirement can nevertheless be specified precisely for each possible final structure. Their Cahn–Ingold–Prelog priorities are:

Candidate	Priority 1	Priority 2	Priority 3	Priority 4
A1	\(\ce{-NHCH3}\)	Phenyl	\(\ce{-CH2CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A2	\(\ce{-NHCH3}\)	\(\ce{-CH2Ph}\)	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A3	\(\ce{-CH2NHCH3}\)	Phenyl	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)

For A1, phenyl outranks ethyl because the next comparison is \((\ce{C},\ce{C},\ce{C})\) against \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\), applying the multiple-bond duplication convention. For A2, benzyl similarly outranks methyl. For A3, the aminomethyl carbon has the comparison list \((\ce{N},\ce{H},\ce{H})\), so it outranks the phenyl carbon.

To draw any of the required \((R)\) structures, orient hydrogen away from the viewer and arrange priorities \(1\rightarrow2\rightarrow3\) clockwise. The stereochemical SMILES in the answers encode these configurations. The missing diagram is necessary to choose which one is A.

The answers were checked against the official answers published by the organisers.

IChO 2017 · Theorieaufgabe 9

Ins Unbekannte

PDF herunterladenIChO 2017

Die organische Verbindung A ist chiral, enthält nur drei Elemente und hat eine Molekülmasse (MW) von 149 (auf eine ganze Zahl gerundet).

Das \({}^{1}\mathrm{H}\)-NMR-Spektrum der Verbindung A zeigt unter anderem drei Arten aromatischer Protonen, und ihr \({}^{13}\mathrm{C}\)-NMR-Spektrum zeigt acht Signale, von denen vier im Bereich von 120-140 ppm liegen.

Die Verbindung A kann durch Umsetzung einer Carbonylverbindung mit Methylamin und anschließende Behandlung mit \(\ce{NaBH3CN}\) hergestellt werden.

9.1 Geben Sie alle möglichen Strukturformeln der Verbindung A an. Die Stereochemie muss nicht angegeben werden; führen Sie keine Stereoisomere auf.

9.2 Eines der Stellungsisomere der Verbindung A (Struktur A1, A2 oder A3) kann aus Verbindung B oder C und D synthetisiert werden, wie im nachstehenden Schema gezeigt. Geben Sie die Strukturformeln der Verbindungen B-F und des Stellungsisomers der Verbindung A an.

9.3 Die Verbindung A ist die \((R)\)-Form einer der Strukturen A1–A3. Sie kann aus den vicinalen Diolen X und Y hergestellt werden, wie im nachstehenden Schema gezeigt. Die beiden Diole sind Konstitutionsisomere, und jede Struktur enthält ein Kohlenstoffatom weniger als die Verbindung A.

Geben Sie die Strukturformeln der Verbindungen G-N, X, Y und der \((R)\)-Form der Verbindung A an. Sie müssen die Stereochemie aller Verbindungen angeben.

Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.

Antworten

Die Bezeichnungen A1–A3 werden im Folgenden für diese Lösung vergeben. \(\ce{Ph}\) bezeichnet die Phenylgruppe, deren SMILES mit markierter Bindungsstelle [*]c1ccccc1 lautet.

9.1. Die drei gesuchten Konstitutionsisomere sind:

Bezeichnung	Name	Halbstrukturformel	SMILES
A1	N-Methyl-1-phenylpropan-1-amin	\(\ce{PhCH(NHCH3)CH2CH3}\)	`CCC(NC)c1ccccc1`
A2	N-Methyl-1-phenylpropan-2-amin	\(\ce{PhCH2CH(NHCH3)CH3}\)	`CC(NC)Cc1ccccc1`
A3	N-Methyl-2-phenylpropan-1-amin	\(\ce{PhCH(CH3)CH2NHCH3}\)	`CC(CNC)c1ccccc1`

9.2. B–F und das ausgewählte Stellungsisomer lassen sich nicht eindeutig identifizieren: Das Reaktionsschema mit den Zusammenhängen zwischen ihnen und den Reagenzien ist in der Aufgabenstellung nicht abgedruckt.
9.3. X und Y enthalten jeweils neun Kohlenstoffatome. Ihre Strukturen und ihre Stereochemie, die Zuordnungen G–N sowie die Identität der ausgewählten Verbindung A lassen sich ohne das fehlende Schema nicht bestimmen. Die drei möglichen \((R)\)-konfigurierten Endstrukturen sind:

Kandidat	Name	Stereochemische SMILES
\((R)\)-A1	(1R)-N-Methyl-1-phenylpropan-1-amin	`CC[C@@H](NC)c1ccccc1`
\((R)\)-A2	(2R)-N-Methyl-1-phenylpropan-2-amin	`C[C@@H](NC)Cc1ccccc1`
\((R)\)-A3	(2R)-N-Methyl-2-phenylpropan-1-amin	`C[C@@H](CNC)c1ccccc1`

Lösung

9.1

Methylamin, CN, und Natriumcyanoborhydrid, [Na+].[BH3-]C#N, bewirken eine reduktive Aminierung. Die Carbonylgruppe wird in ein Kohlenstoffatom umgewandelt, das eine N-Methylaminogruppe, \(\ce{-NHCH3}\), trägt.

Die ausgeglichene Nettoreaktion, wobei \(\ce{2[H]}\) für die bei der Reduktion zugeführten Reduktionsäquivalente steht, lautet

\[ \ce{R^1C(=O)R^2 + CH3NH2 + 2[H] -> R^1CH(NHCH3)R^2 + H2O}. \]

Das Nebenprodukt ist Wasser, O. Bei einem Aldehyd ist einer der Reste \(\ce{R^1}\) oder \(\ce{R^2}\) ein Wasserstoffatom.

Mechanistisch greift Methylamin das Carbonylkohlenstoffatom an. Protonenübertragungen und die Abspaltung von Wasser erzeugen eine Imin-/Iminium-Zwischenstufe; die Addition eines Hydridions an deren Kohlenstoffatom liefert das Amin.

Da das Produkt Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff enthält, sind dies seine drei Elemente.

Die übliche Interpretation des NMR-Musters ist ein monosubstituierter Benzolring:

Die aromatischen Protonen befinden sich in drei Umgebungen: ortho, meta und para, die normalerweise \(2:2:1\) Protonen entsprechen.
Die aromatischen Kohlenstoffatome befinden sich in vier Umgebungen: ipso, ortho, meta und para.

Somit entfallen auf sechs aromatische Kohlenstoffatome vier Kohlenstoffsignale. Die übrigen vier Signale entsprechen vier unterschiedlichen nichtaromatischen Kohlenstoffatomen, was insgesamt zehn Kohlenstoffatome ergibt. Bei einem Stickstoffatom erfordert die Molekülmasse fünfzehn Wasserstoffatome:

\[ 10(12)+15(1)+14=149. \]

Die Summenformel lautet daher

\[ \boxed{\ce{C10H15N}}, \qquad M\approx149\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

Ihr Ungesättigtheitsgrad beträgt

\[ \mathrm{DBE} =\frac{2(10)+2+1-15}{2} =4. \]

Der Benzolring erklärt alle vier Doppelbindungsäquivalente. Der übrige Teil muss daher gesättigt und acyclisch sein.

Eines der vier nichtaromatischen Kohlenstoffatome gehört zur N-Methylgruppe. Die Anordnung der übrigen drei Kohlenstoffatome zwischen der Phenylgruppe und der N-Methylaminogruppe ergibt die drei in den Antworten aufgeführten chiralen Strukturen:

A1: Das stereogene Kohlenstoffatom trägt \(\ce{NHCH3}\), Phenyl, Ethyl und Wasserstoff.
A2: Das stereogene Kohlenstoffatom trägt \(\ce{NHCH3}\), Benzyl, Methyl und Wasserstoff.
A3: Das stereogene Kohlenstoffatom trägt \(\ce{CH2NHCH3}\), Phenyl, Methyl und Wasserstoff.

Jede Struktur besitzt vier unterschiedliche nichtaromatische Kohlenstoffumgebungen, was mit insgesamt acht Kohlenstoffsignalen übereinstimmt.

Die anderen gesättigten Anordnungen erfüllen die Chiralitätsbedingung nicht. N-Methyl-3-phenylpropan-1-amin, CNCCCc1ccccc1, besitzt kein Kohlenstoffstereozentrum. N-Methyl-2-phenylpropan-2-amin, CNC(C)(C)c1ccccc1, trägt zwei identische Methylgruppen an seinem substituierten Kohlenstoffatom; ihm fehlt außerdem das an Kohlenstoff gebundene Wasserstoffatom, das bei einer gewöhnlichen reduktiven Aminierung eingeführt wird. Aufgrund der Stickstoffinversion liegt bei diesen gewöhnlichen acyclischen Aminen am Stickstoff kein konfigurationsstabiles Stereozentrum vor.

Die entsprechenden Carbonylvorstufen bestätigen den angegebenen Herstellungsweg:

Produkt	Carbonylvorstufe	SMILES der Vorstufe
A1	1-Phenylpropan-1-on oder Propiophenon	`CCC(=O)c1ccccc1`
A2	1-Phenylpropan-2-on oder Phenylaceton	`CC(=O)Cc1ccccc1`
A3	2-Phenylpropanal	`CC(C=O)c1ccccc1`

Ihre ausgeglichenen Nettoreaktionen lauten

\[ \ce{PhCOCH2CH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(NHCH3)CH2CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH2COCH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH2CH(NHCH3)CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH(CH3)CHO + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(CH3)CH2NHCH3 + H2O}. \]

Bei A3 ist das stereogene Kohlenstoffatom bereits in der Aldehydvorstufe vorhanden.

9.2

Der bereitgestellte Text enthält keine Strukturen, Reagenzien, Reaktionsbedingungen oder Verknüpfungen zwischen den Bezeichnungen B–F. Diese Einzelheiten stehen im fehlenden Schema.

Die oben genannten Carbonylvorstufen zeigen mögliche Herstellungswege für alle drei Kandidaten auf, lassen sich jedoch ohne das Schema nicht B–F zuordnen. Auch der übrige Text legt kein bestimmtes Stellungsisomer fest. Konkrete Zuordnungen würden daher das Erfinden von Informationen erfordern.

9.3

Aus Teil 9.1 folgt, dass A zehn Kohlenstoffatome enthält. Daher gilt

\[ n_{\mathrm C}(X)=n_{\mathrm C}(Y)=10-1=\boxed{9}. \]

Ein vicinales Diol besitzt Hydroxygruppen an benachbarten Kohlenstoffatomen. Diese Bedingung, die Konstitutionsisomerie und die Anzahl der Kohlenstoffatome legen die Kohlenstoffgerüste oder absoluten Konfigurationen von X und Y nicht fest. Die ausgelassenen Reaktionen werden auch benötigt, um zu bestimmen, an welchen Stellen die Stereochemie in G–N erhalten bleibt, invertiert oder neu festgelegt wird.

Die Forderung nach der \((R)\)-Konfiguration lässt sich dennoch für jede mögliche Endstruktur präzise angeben. Ihre Cahn–Ingold–Prelog-Prioritäten lauten:

Kandidat	Priorität 1	Priorität 2	Priorität 3	Priorität 4
A1	\(\ce{-NHCH3}\)	Phenyl	\(\ce{-CH2CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A2	\(\ce{-NHCH3}\)	\(\ce{-CH2Ph}\)	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A3	\(\ce{-CH2NHCH3}\)	Phenyl	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)

Bei A1 hat Phenyl eine höhere Priorität als Ethyl, weil beim nächsten Vergleich unter Anwendung der Duplikatatom-Konvention für Mehrfachbindungen \((\ce{C},\ce{C},\ce{C})\) mit \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\) verglichen wird. Bei A2 hat Benzyl entsprechend eine höhere Priorität als Methyl. Bei A3 weist das Kohlenstoffatom der Aminomethylgruppe die Vergleichsliste \((\ce{N},\ce{H},\ce{H})\) auf und hat daher eine höhere Priorität als das Phenylkohlenstoffatom.

Um eine der geforderten \((R)\)-Strukturen zu zeichnen, richten Sie das Wasserstoffatom vom Betrachter weg aus und ordnen Sie die Prioritäten \(1\rightarrow2\rightarrow3\) im Uhrzeigersinn an. Die stereochemischen SMILES in den Antworten codieren diese Konfigurationen. Das fehlende Schema ist erforderlich, um zu entscheiden, welche davon A ist.

Die Ergebnisse wurden mit den von den Veranstaltern veröffentlichten offiziellen Ergebnissen abgeglichen.

IChO 2017 · Teori sorusu 9

Bilinmeyene Doğru

PDF indirIChO 2017

Organik A bileşiği kiraldir, yalnızca üç element içerir ve molekül ağırlığı (MW) 149'dur (tam sayıya yuvarlanmış değer).

A bileşiğinin \({}^{1}\mathrm{H}\) NMR spektrumunda, diğer protonların yanı sıra üç tür aromatik proton görülür; \({}^{13}\mathrm{C}\) NMR spektrumunda ise dördü 120-140 ppm aralığında olmak üzere sekiz sinyal görülür.

A bileşiği, bir karbonil bileşiğinin önce metilamin, ardından \(\ce{NaBH3CN}\) ile tepkimeye sokulmasıyla hazırlanabilir.

9.1 A bileşiğinin olası tüm yapı formüllerini yazınız. Stereokimyanın gösterilmesi gerekli değildir ve stereoizomerleri dahil etmeyiniz.

9.2 A bileşiğinin konum izomerlerinden biri (A1, A2 veya A3 yapısı), aşağıdaki şemada gösterildiği gibi B veya C bileşiği ile D bileşiğinden sentezlenebilir. B-F bileşiklerinin ve A bileşiğinin bu konum izomerinin yapı formüllerini yazınız.

9.3 A bileşiği, A1–A3 yapılarından birinin \((R)\) biçimidir. Aşağıdaki şemada gösterildiği gibi visinal dioller olan X ve Y'den hazırlanabilir. Bu iki diol birbirinin yapı izomeridir ve her bir yapı, A bileşiğinden bir karbon daha az içerir.

G-N, X, Y bileşiklerinin ve A bileşiğinin \((R)\) biçiminin yapı formüllerini yazınız. Tüm bileşiklerin stereokimyasını göstermelisiniz.

Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.

Cevaplar

Aşağıdaki A1–A3 etiketleri bu çözüm için atanmıştır. \(\ce{Ph}\), bağlanma noktası içeren SMILES gösterimi [*]c1ccccc1 olan fenil grubunu belirtir.

9.1. Beklenen üç yapı izomeri şunlardır:

Etiket	Ad	Kısaltılmış yapı	SMILES
A1	N-Metil-1-fenilpropan-1-amin	\(\ce{PhCH(NHCH3)CH2CH3}\)	`CCC(NC)c1ccccc1`
A2	N-Metil-1-fenilpropan-2-amin	\(\ce{PhCH2CH(NHCH3)CH3}\)	`CC(NC)Cc1ccccc1`
A3	N-Metil-2-fenilpropan-1-amin	\(\ce{PhCH(CH3)CH2NHCH3}\)	`CC(CNC)c1ccccc1`

9.2. B–F ve seçilen konum izomeri tek bir şekilde belirlenemez: aralarındaki ilişkileri ve reaktifleri içeren tepkime şeması soruda verilmemiştir.
9.3. X ve Y'nin her biri dokuz karbon atomu içerir. Eksik şema olmadan bunların yapıları ve stereokimyaları, G–N etiketlerinin hangi bileşiklere karşılık geldiği ve seçilen A bileşiğinin kimliği belirlenemez. \((R)\) konfigürasyonuna sahip olası üç son yapı şunlardır:

Aday	Ad	Stereokimyasal SMILES
\((R)\)-A1	(1R)-N-Metil-1-fenilpropan-1-amin	`CC[C@@H](NC)c1ccccc1`
\((R)\)-A2	(2R)-N-Metil-1-fenilpropan-2-amin	`C[C@@H](NC)Cc1ccccc1`
\((R)\)-A3	(2R)-N-Metil-2-fenilpropan-1-amin	`C[C@@H](CNC)c1ccccc1`

Çözüm

9.1

Metilamin, CN, ve sodyum siyanoborohidrür, [Na+].[BH3-]C#N, indirgemeli aminasyon gerçekleştirir. Karbonil grubu, bir N-metilamino grubu, \(\ce{-NHCH3}\), taşıyan bir karbona dönüştürülür.

\(\ce{2[H]}\), indirgeme sırasında sağlanan indirgeme eşdeğerlerini temsil etmek üzere, denkleştirilmiş net dönüşüm şöyledir:

\[ \ce{R^1C(=O)R^2 + CH3NH2 + 2[H] -> R^1CH(NHCH3)R^2 + H2O}. \]

Birlikte oluşan diğer ürün sudur, O. Bir aldehit için \(\ce{R^1}\) veya \(\ce{R^2}\) gruplarından biri hidrojendir.

Mekanizma açısından, metilamin karbonil karbonuna saldırır. Proton aktarımları ve suyun ayrılması bir imin/iminyum ara ürünü oluşturur; bunun karbonuna hidrür katılması amini meydana getirir.

Ürün karbon, hidrojen ve azot içerdiğinden, bileşiğin üç elementi bunlardır.

NMR örüntüsünün olağan yorumu, tek sübstitüentli bir benzen halkasıdır:

Aromatik protonlar üç farklı kimyasal çevrede bulunur: orto, meta ve para; bunlar normalde \(2:2:1\) protona karşılık gelir.
Aromatik karbonlar dört farklı kimyasal çevrede bulunur: ipso, orto, meta ve para.

Dolayısıyla altı aromatik karbon atomu dört karbon sinyali verir. Diğer dört sinyal, aromatik olmayan dört farklı karbon atomuna karşılık gelir; böylece toplam on karbon atomu bulunur. Bir azot atomu olduğunda, molekül kütlesi on beş hidrojen bulunmasını gerektirir:

\[ 10(12)+15(1)+14=149. \]

Buna göre molekül formülü şöyledir:

\[ \boxed{\ce{C10H15N}}, \qquad M\approx149\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

Doymamışlık derecesi şöyledir:

\[ \mathrm{DBE} =\frac{2(10)+2+1-15}{2} =4. \]

Benzen halkası, dört doymamışlık derecesinin tamamını karşılar. Bu nedenle kalan kısım doymuş ve açık zincirli olmalıdır.

Aromatik olmayan dört karbondan biri N-metil grubuna aittir. Diğer üç karbonun fenil ve N-metilamino grupları arasında düzenlenmesi, cevaplarda listelenen üç kiral yapıyı verir:

A1: stereojenik karbon, \(\ce{NHCH3}\), fenil, etil ve hidrojen taşır.
A2: stereojenik karbon, \(\ce{NHCH3}\), benzil, metil ve hidrojen taşır.
A3: stereojenik karbon, \(\ce{CH2NHCH3}\), fenil, metil ve hidrojen taşır.

Her birinde aromatik olmayan karbonlar için dört farklı kimyasal çevre bulunur; bu da toplam sekiz karbon sinyaliyle uyumludur.

Diğer doymuş düzenlenmeler kirallik koşulunu sağlamaz. N-Metil-3-fenilpropan-1-amin, CNCCCc1ccccc1, karbon stereomerkezine sahip değildir. N-Metil-2-fenilpropan-2-amin, CNC(C)(C)c1ccccc1, sübstitüe karbonunda iki özdeş metil grubu taşır; ayrıca olağan indirgemeli aminasyonla karbona bağlanan hidrojen de bu yapıda bulunmaz. Azot inversiyonu, bu sıradan açık zincirli aminlerde konfigürasyon bakımından kararlı bir stereomerkez sağlamaz.

Karşılık gelen karbonil öncülleri, belirtilen hazırlama yöntemini doğrular:

Ürün	Karbonil öncülü	Öncülün SMILES gösterimi
A1	1-Fenilpropan-1-on veya propiofenon	`CCC(=O)c1ccccc1`
A2	1-Fenilpropan-2-on veya fenilaseton	`CC(=O)Cc1ccccc1`
A3	2-Fenilpropanal	`CC(C=O)c1ccccc1`

Bunların denkleştirilmiş net tepkimeleri şöyledir:

\[ \ce{PhCOCH2CH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(NHCH3)CH2CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH2COCH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH2CH(NHCH3)CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH(CH3)CHO + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(CH3)CH2NHCH3 + H2O}. \]

A3 için stereojenik karbon, aldehit öncülünde zaten mevcuttur.

9.2

Verilen metinde B–F etiketlerine ilişkin yapılar, reaktifler, tepkime koşulları veya etiketler arasındaki bağlantılar bulunmamaktadır. Bu ayrıntılar eksik şemada yer almaktadır.

Yukarıdaki karbonil öncülleri, üç adayın tümü için olası hazırlama yollarını ortaya koyar; ancak şema olmadan bunlar B–F etiketleriyle eşleştirilemez. Metnin geri kalanı da tek bir konum izomerini seçmeye olanak vermez. Dolayısıyla belirli eşleştirmeler vermek, bilgi uydurmayı gerektirir.

9.3

9.1 kısmından, A'nın on karbon atomu içerdiği bilinmektedir. Dolayısıyla,

\[ n_{\mathrm C}(X)=n_{\mathrm C}(Y)=10-1=\boxed{9}. \]

Bir visinal diolde hidroksil grupları komşu karbon atomlarında bulunur. Bu koşul, yapı izomerliği ve karbon sayısı, X ve Y'nin karbon iskeletlerini veya mutlak konfigürasyonlarını belirlemeye yetmez. G–N bileşiklerinde stereokimyanın nerede korunduğunu, tersine döndüğünü veya yeni oluştuğunu belirlemek için de verilmemiş olan tepkimelere ihtiyaç vardır.

Bununla birlikte, olası her son yapı için \((R)\) koşulu kesin olarak belirtilebilir. Bunların Cahn–Ingold–Prelog öncelikleri şöyledir:

Aday	Öncelik 1	Öncelik 2	Öncelik 3	Öncelik 4
A1	\(\ce{-NHCH3}\)	Fenil	\(\ce{-CH2CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A2	\(\ce{-NHCH3}\)	\(\ce{-CH2Ph}\)	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A3	\(\ce{-CH2NHCH3}\)	Fenil	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)

A1 için fenil, etilden daha yüksek önceliğe sahiptir; çünkü çoklu bağlar için atom çoğaltma kuralı uygulandığında, bir sonraki karşılaştırma \((\ce{C},\ce{C},\ce{C})\) ile \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\) arasında yapılır. A2 için benzil, benzer şekilde metilden daha yüksek önceliğe sahiptir. A3 için aminometil karbonunun karşılaştırma listesi \((\ce{N},\ce{H},\ce{H})\) olduğundan, bu karbon fenil karbonundan daha yüksek önceliğe sahiptir.

İstenen \((R)\) yapılarından herhangi birini çizmek için hidrojeni gözlemciden uzağa yöneltiniz ve \(1\rightarrow2\rightarrow3\) öncelik sırasını saat yönünde düzenleyiniz. Cevaplardaki stereokimyasal SMILES gösterimleri bu konfigürasyonları kodlar. Hangisinin A olduğunu seçebilmek için eksik şema gereklidir.

Sonuçlar, düzenleyicilerin yayımladığı resmi sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edildi.

IChO 2017 · Problema teórico 9

Hacia lo desconocido

Descargar PDFIChO 2017

El compuesto orgánico A es quiral, contiene únicamente tres elementos y tiene una masa molecular (MW) de 149 (redondeada a un número entero).

El espectro de RMN de \({}^{1}\mathrm{H}\) del compuesto A muestra, entre otros, tres tipos de protones aromáticos, y su espectro de RMN de \({}^{13}\mathrm{C}\) muestra ocho señales, de las cuales cuatro se encuentran en el intervalo de 120-140 ppm.

El compuesto A puede prepararse tratando un compuesto carbonílico con metilamina y, a continuación, con \(\ce{NaBH3CN}\).

9.1 Escriba todas las fórmulas estructurales posibles del compuesto A. No es necesario indicar la estereoquímica y no deben incluirse estereoisómeros.

9.2 Uno de los isómeros de posición del compuesto A (estructura A1, A2 o A3) puede sintetizarse a partir del compuesto B o de C y D, como se muestra en el diagrama siguiente. Escriba las fórmulas estructurales de los compuestos B-F y del isómero de posición del compuesto A.

9.3 El compuesto A es la forma \((R)\) de una de las estructuras A1–A3. Puede prepararse a partir de los dioles vecinales X e Y, como se muestra en el diagrama siguiente. Ambos dioles son isómeros estructurales y cada estructura contiene un átomo de carbono menos que el compuesto A.

Escriba las fórmulas estructurales de los compuestos G-N, X, Y y de la forma \((R)\) del compuesto A. Debe indicar la estereoquímica de todos los compuestos.

Enunciado traducido del texto oficial en inglés.

Respuestas

Las etiquetas A1–A3 que aparecen a continuación se asignan para esta solución. \(\ce{Ph}\) designa el grupo fenilo, cuyo SMILES con punto de unión es [*]c1ccccc1.

9.1. Los tres isómeros constitucionales previstos son:

Etiqueta	Nombre	Estructura condensada	SMILES
A1	N-Metil-1-fenilpropan-1-amina	\(\ce{PhCH(NHCH3)CH2CH3}\)	`CCC(NC)c1ccccc1`
A2	N-Metil-1-fenilpropan-2-amina	\(\ce{PhCH2CH(NHCH3)CH3}\)	`CC(NC)Cc1ccccc1`
A3	N-Metil-2-fenilpropan-1-amina	\(\ce{PhCH(CH3)CH2NHCH3}\)	`CC(CNC)c1ccccc1`

9.2. B–F y el isómero de posición seleccionado no pueden identificarse de manera unívoca: el diagrama de reacción que contiene sus relaciones y los reactivos no aparece impreso en el enunciado.
9.3. X e Y contienen nueve átomos de carbono cada uno. Sus estructuras y su estereoquímica, las asignaciones G–N y la identidad del compuesto A seleccionado no pueden determinarse sin el diagrama que falta. Las tres estructuras finales posibles con configuración \((R)\) son:

Candidato	Nombre	SMILES estereoquímico
\((R)\)-A1	(1R)-N-Metil-1-fenilpropan-1-amina	`CC[C@@H](NC)c1ccccc1`
\((R)\)-A2	(2R)-N-Metil-1-fenilpropan-2-amina	`C[C@@H](NC)Cc1ccccc1`
\((R)\)-A3	(2R)-N-Metil-2-fenilpropan-1-amina	`C[C@@H](CNC)c1ccccc1`

Solución

9.1

La metilamina, CN, y el cianoborohidruro de sodio, [Na+].[BH3-]C#N, llevan a cabo una aminación reductora. El grupo carbonilo se convierte en un carbono unido a un grupo N-metilamino, \(\ce{-NHCH3}\).

La transformación neta ajustada, en la que \(\ce{2[H]}\) representa los equivalentes reductores aportados durante la reducción, es

\[ \ce{R^1C(=O)R^2 + CH3NH2 + 2[H] -> R^1CH(NHCH3)R^2 + H2O}. \]

El coproducto es agua, O. En el caso de un aldehído, uno de los grupos \(\ce{R^1}\) o \(\ce{R^2}\) es hidrógeno.

Desde el punto de vista mecanístico, la metilamina ataca al carbono carbonílico. Las transferencias de protones y la eliminación de agua generan un intermedio de imina/iminio; la adición de hidruro a su carbono produce la amina.

Puesto que el producto contiene carbono, hidrógeno y nitrógeno, estos son sus tres elementos.

La interpretación habitual del patrón de RMN es un anillo de benceno monosustituido:

Los protones aromáticos ocupan tres entornos: orto, meta y para, que normalmente corresponden a \(2:2:1\) protones.
Los carbonos aromáticos ocupan cuatro entornos: ipso, orto, meta y para.

Por tanto, seis átomos de carbono aromáticos dan lugar a cuatro señales de carbono. Las otras cuatro señales corresponden a cuatro átomos de carbono no aromáticos diferentes, lo que da un total de diez átomos de carbono. Con un átomo de nitrógeno, la masa molecular exige quince hidrógenos:

\[ 10(12)+15(1)+14=149. \]

Por consiguiente, la fórmula molecular es

\[ \boxed{\ce{C10H15N}}, \qquad M\approx149\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

Su grado de insaturación es

\[ \mathrm{DBE} =\frac{2(10)+2+1-15}{2} =4. \]

El anillo de benceno explica los cuatro grados de insaturación. Por lo tanto, la parte restante debe ser saturada y acíclica.

Uno de los cuatro carbonos no aromáticos pertenece al grupo N-metilo. La distribución de los otros tres carbonos entre los grupos fenilo y N-metilamino da las tres estructuras quirales enumeradas en las respuestas:

A1: el carbono estereogénico está unido a \(\ce{NHCH3}\), fenilo, etilo e hidrógeno.
A2: el carbono estereogénico está unido a \(\ce{NHCH3}\), bencilo, metilo e hidrógeno.
A3: el carbono estereogénico está unido a \(\ce{CH2NHCH3}\), fenilo, metilo e hidrógeno.

Cada una presenta cuatro entornos de carbono no aromático distintos, en concordancia con un total de ocho señales de carbono.

Las demás disposiciones saturadas no satisfacen el requisito de quiralidad. La N-metil-3-fenilpropan-1-amina, CNCCCc1ccccc1, no tiene ningún estereocentro de carbono. La N-metil-2-fenilpropan-2-amina, CNC(C)(C)c1ccccc1, tiene dos grupos metilo idénticos en su carbono sustituido; también carece del hidrógeno unido al carbono que se introduce mediante una aminación reductora ordinaria. La inversión del nitrógeno no proporciona un estereocentro configuracionalmente estable en estas aminas acíclicas ordinarias.

Los precursores carbonílicos correspondientes confirman la preparación indicada:

Producto	Precursor carbonílico	SMILES del precursor
A1	1-Fenilpropan-1-ona, o propiofenona	`CCC(=O)c1ccccc1`
A2	1-Fenilpropan-2-ona, o fenilacetona	`CC(=O)Cc1ccccc1`
A3	2-Fenilpropanal	`CC(C=O)c1ccccc1`

Sus reacciones netas ajustadas son

\[ \ce{PhCOCH2CH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(NHCH3)CH2CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH2COCH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH2CH(NHCH3)CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH(CH3)CHO + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(CH3)CH2NHCH3 + H2O}. \]

En el caso de A3, el carbono estereogénico ya está presente en el aldehído precursor.

9.2

El texto proporcionado no incluye estructuras, reactivos, condiciones de reacción ni conexiones entre las etiquetas B–F. Esos detalles se encuentran en el diagrama que falta.

Los precursores carbonílicos anteriores establecen posibles preparaciones de los tres candidatos, pero no pueden asignarse a B–F sin el esquema. El resto del texto tampoco permite seleccionar un isómero de posición. Por lo tanto, proporcionar asignaciones específicas exigiría inventar información.

9.3

Según el apartado 9.1, A contiene diez átomos de carbono. Por tanto,

\[ n_{\mathrm C}(X)=n_{\mathrm C}(Y)=10-1=\boxed{9}. \]

Un diol vecinal tiene grupos hidroxilo en átomos de carbono adyacentes. Esta condición, la isomería estructural y el número de carbonos no determinan los esqueletos carbonados ni las configuraciones absolutas de X e Y. Las reacciones omitidas también son necesarias para determinar dónde se conserva, se invierte o se establece por primera vez la estereoquímica en G–N.

No obstante, el requisito de configuración \((R)\) puede especificarse con precisión para cada estructura final posible. Sus prioridades de Cahn–Ingold–Prelog son:

Candidato	Prioridad 1	Prioridad 2	Prioridad 3	Prioridad 4
A1	\(\ce{-NHCH3}\)	Fenilo	\(\ce{-CH2CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A2	\(\ce{-NHCH3}\)	\(\ce{-CH2Ph}\)	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A3	\(\ce{-CH2NHCH3}\)	Fenilo	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)

Para A1, el fenilo tiene mayor prioridad que el etilo porque la siguiente comparación es \((\ce{C},\ce{C},\ce{C})\) frente a \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\), aplicando la convención de duplicación para los enlaces múltiples. Para A2, el bencilo tiene asimismo mayor prioridad que el metilo. Para A3, el carbono del grupo aminometilo tiene la lista de comparación \((\ce{N},\ce{H},\ce{H})\), por lo que tiene mayor prioridad que el carbono del fenilo.

Para dibujar cualquiera de las estructuras \((R)\) requeridas, oriente el hidrógeno alejándose del observador y disponga las prioridades \(1\rightarrow2\rightarrow3\) en sentido horario. Los SMILES estereoquímicos de las respuestas codifican estas configuraciones. El diagrama que falta es necesario para elegir cuál de ellas es A.

Los resultados se comprobaron con los resultados oficiales publicados por los organizadores.

IChO 2017 · 理论题 9

探索未知

下载 PDFIChO 2017

有机化合物 A 具有手性，仅含三种元素，分子量（MW）为 149（四舍五入至整数）。

化合物 A 的 \({}^{1}\mathrm{H}\) NMR 谱中，除其他信号外，还出现三类芳香氢信号；其 \({}^{13}\mathrm{C}\) NMR 谱中有八个信号，其中四个信号位于 120-140 ppm 范围内。

用甲胺处理某羰基化合物，再用 \(\ce{NaBH3CN}\) 处理，即可制得化合物 A。

9.1 写出化合物 A 所有可能的结构式。无需表示立体化学，且不要列出立体异构体。

9.2 化合物 A 的一种位置异构体（结构 A1、A2 或 A3）可由化合物 B 或 C 与 D 按下图所示路线合成。写出化合物 B-F 以及化合物 A 的这一位置异构体的结构式。

9.3 化合物 A 是结构 A1–A3 中某一种的 \((R)\) 型。它可由邻二醇 X 和 Y 按下图所示路线制得。这两种二醇互为构造异构体，且每种结构均比化合物 A 少一个碳原子。

写出化合物 G-N、X、Y 以及 \((R)\) 型化合物 A 的结构式。必须表示所有化合物的立体化学。

题目译自官方英文原文。

答案

以下标号 A1–A3 是本解答所采用的标号。\(\ce{Ph}\) 表示苯基，其带连接点的 SMILES 为 [*]c1ccccc1。

9.1. 预期的三种构造异构体为：

标号	名称	缩写结构式	SMILES
A1	N-甲基-1-苯基丙-1-胺	\(\ce{PhCH(NHCH3)CH2CH3}\)	`CCC(NC)c1ccccc1`
A2	N-甲基-1-苯基丙-2-胺	\(\ce{PhCH2CH(NHCH3)CH3}\)	`CC(NC)Cc1ccccc1`
A3	N-甲基-2-苯基丙-1-胺	\(\ce{PhCH(CH3)CH2NHCH3}\)	`CC(CNC)c1ccccc1`

9.2. 无法唯一确定 B–F 及所选的位置异构体：题目中未印出包含它们之间关系及所用试剂的反应图。
9.3. X 和 Y 各含九个碳原子。缺少反应图，便无法确定它们的结构和立体化学、G–N 所对应的化合物，以及所选 A 的具体结构。三种可能的 \((R)\) 构型最终结构为：

候选化合物	名称	立体化学 SMILES
\((R)\)-A1	(1R)-N-甲基-1-苯基丙-1-胺	`CC[C@@H](NC)c1ccccc1`
\((R)\)-A2	(2R)-N-甲基-1-苯基丙-2-胺	`C[C@@H](NC)Cc1ccccc1`
\((R)\)-A3	(2R)-N-甲基-2-苯基丙-1-胺	`C[C@@H](CNC)c1ccccc1`

解答

9.1

甲胺 CN 和氰基硼氢化钠 [Na+].[BH3-]C#N 用于进行还原胺化。羰基转化为连接 N-甲氨基 \(\ce{-NHCH3}\) 的碳原子。

配平后的总反应如下，其中 \(\ce{2[H]}\) 表示还原过程中提供的还原当量：

\[ \ce{R^1C(=O)R^2 + CH3NH2 + 2[H] -> R^1CH(NHCH3)R^2 + H2O}. \]

同时生成的产物为水 O。对于醛，\(\ce{R^1}\) 或 \(\ce{R^2}\) 中有一个是氢。

从反应机理来看，甲胺进攻羰基碳。经过质子转移和脱水，生成亚胺或亚胺鎓离子中间体；氢负离子加成到其中的碳原子上，生成胺。

由于产物含有碳、氢和氮，这三者就是其所含的三种元素。

对该 NMR 谱信号特征的通常解释是存在一个单取代苯环：

芳香氢处于三种化学环境：邻位、间位和对位，通常对应的氢原子数之比为 \(2:2:1\)。
芳香碳处于四种化学环境：取代基直接连接的位点（ipso 位）、邻位、间位和对位。

因此，六个芳香碳原子产生四个碳信号。其余四个信号对应四个不同的非芳香碳原子，总计十个碳原子。若含一个氮原子，则根据分子量可知必须含十五个氢原子：

\[ 10(12)+15(1)+14=149. \]

因此，分子式为

\[ \boxed{\ce{C10H15N}}, \qquad M\approx149\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

其不饱和度为

\[ \mathrm{DBE} =\frac{2(10)+2+1-15}{2} =4. \]

苯环占据了全部四个不饱和度。因此，其余部分必须是饱和且无环的。

四个非芳香碳原子中有一个属于 N-甲基。将其余三个碳原子排列在苯基与 N-甲氨基之间，可得到答案中列出的三种手性结构：

A1：成手性碳原子连接 \(\ce{NHCH3}\)、苯基、乙基和氢。
A2：成手性碳原子连接 \(\ce{NHCH3}\)、苄基、甲基和氢。
A3：成手性碳原子连接 \(\ce{CH2NHCH3}\)、苯基、甲基和氢。

每种结构均有四种不同的非芳香碳化学环境，与总共八个碳信号相符。

其他饱和结构不满足手性要求。N-甲基-3-苯基丙-1-胺 CNCCCc1ccccc1 不含碳立体中心。N-甲基-2-苯基丙-2-胺 CNC(C)(C)c1ccccc1 的取代碳原子上连接着两个相同的甲基；该碳原子上也没有通常的还原胺化反应所引入的氢。由于氮反转，这些普通的无环胺中的氮原子不能形成构型稳定的立体中心。

相应的羰基前体证实了题述制备方法：

产物	羰基前体	前体的 SMILES
A1	1-苯基丙-1-酮，又称苯丙酮	`CCC(=O)c1ccccc1`
A2	1-苯基丙-2-酮，又称苯基丙酮	`CC(=O)Cc1ccccc1`
A3	2-苯基丙醛	`CC(C=O)c1ccccc1`

它们配平后的总反应为

\[ \ce{PhCOCH2CH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(NHCH3)CH2CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH2COCH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH2CH(NHCH3)CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH(CH3)CHO + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(CH3)CH2NHCH3 + H2O}. \]

对于 A3，成手性碳原子在醛前体中就已存在。

9.2

所提供的文字未给出标号 B–F 对应的结构、试剂、反应条件或它们之间的关联。这些细节位于缺失的反应图中。

上述羰基前体说明了全部三种候选化合物的可能制备方法，但没有反应路线图，就无法将它们与 B–F 对应起来。其余文字也未指定其中哪一种位置异构体。因此，要给出具体的对应关系，就必须编造信息。

9.3

由第 9.1 问可知，A 含有十个碳原子。因此，

\[ n_{\mathrm C}(X)=n_{\mathrm C}(Y)=10-1=\boxed{9}. \]

邻二醇的羟基连接在相邻的碳原子上。这一条件、构造异构关系以及碳原子数均不足以确定 X 和 Y 的碳骨架或绝对构型。要确定 G–N 中哪些位置的立体化学发生保留、反转或新建，也需要知道被省略的反应。

不过，仍可针对每种可能的最终结构精确说明 \((R)\) 构型的要求。它们的 Cahn–Ingold–Prelog 优先顺序为：

候选化合物	优先级 1	优先级 2	优先级 3	优先级 4
A1	\(\ce{-NHCH3}\)	苯基	\(\ce{-CH2CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A2	\(\ce{-NHCH3}\)	\(\ce{-CH2Ph}\)	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A3	\(\ce{-CH2NHCH3}\)	苯基	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)

对于 A1，苯基的优先级高于乙基，因为按照多重键的原子复制规则，下一层比较的是 \((\ce{C},\ce{C},\ce{C})\) 与 \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\)。对于 A2，同理，苄基的优先级高于甲基。对于 A3，氨甲基碳原子的比较列表为 \((\ce{N},\ce{H},\ce{H})\)，因此其优先级高于苯基碳原子。

要画出任一所要求的 \((R)\) 结构，应将氢置于背向观察者的方向，并使优先级 \(1\rightarrow2\rightarrow3\) 按顺时针方向排列。答案中的立体化学 SMILES 编码了这些构型。要选定哪一种是 A，必须有缺失的反应图。

结果已与主办方公布的官方答案核对。

IChO 2017 · Теоретическая задача 9

В неизвестность

Скачать PDFIChO 2017

Органическое соединение A хирально и содержит только три элемента; его молекулярная масса (MW) равна 149 (с округлением до целого числа).

В спектре ЯМР \({}^{1}\mathrm{H}\) соединения A присутствуют, среди прочих, сигналы трёх типов ароматических протонов, а в его спектре ЯМР \({}^{13}\mathrm{C}\) наблюдаются восемь сигналов, четыре из которых находятся в диапазоне 120-140 м. д.

Соединение A можно получить обработкой карбонильного соединения метиламином с последующим действием \(\ce{NaBH3CN}\).

9.1 Напишите все возможные структурные формулы соединения A. Указывать стереохимию не требуется; стереоизомеры не включайте.

9.2 Один из позиционных изомеров соединения A (структура A1, A2 или A3) можно синтезировать из соединения B или C и D, как показано на схеме ниже. Напишите структурные формулы соединений B-F и соответствующего позиционного изомера соединения A.

9.3 Соединение A представляет собой \((R)\)-форму одной из структур A1–A3. Его можно получить из вицинальных диолов X и Y, как показано на схеме ниже. Оба диола являются структурными изомерами, и каждая структура содержит на один атом углерода меньше, чем соединение A.

Напишите структурные формулы соединений G-N, X, Y и \((R)\)-формы соединения A. Необходимо указать стереохимию всех соединений.

Условие переведено с официального английского текста.

Ответы

Обозначения A1–A3, приведённые ниже, введены для этого решения. \(\ce{Ph}\) обозначает фенильную группу, SMILES с указанием точки присоединения: [*]c1ccccc1.

9.1. Три предполагаемых структурных изомера:

Обозначение	Название	Сокращённая структурная формула	SMILES
A1	N-Метил-1-фенилпропан-1-амин	\(\ce{PhCH(NHCH3)CH2CH3}\)	`CCC(NC)c1ccccc1`
A2	N-Метил-1-фенилпропан-2-амин	\(\ce{PhCH2CH(NHCH3)CH3}\)	`CC(NC)Cc1ccccc1`
A3	N-Метил-2-фенилпропан-1-амин	\(\ce{PhCH(CH3)CH2NHCH3}\)	`CC(CNC)c1ccccc1`

9.2. Однозначно определить B–F и выбранный позиционный изомер невозможно: схема реакций, показывающая взаимосвязи между ними и используемые реагенты, в условии не приведена.
9.3. X и Y содержат по девять атомов углерода. Их структуры и стереохимию, соответствие обозначений G–N конкретным соединениям и выбранное соединение A невозможно определить без отсутствующей схемы. Три возможные конечные структуры с \((R)\)-конфигурацией:

Возможное соединение	Название	Стереохимический SMILES
\((R)\)-A1	(1R)-N-Метил-1-фенилпропан-1-амин	`CC[C@@H](NC)c1ccccc1`
\((R)\)-A2	(2R)-N-Метил-1-фенилпропан-2-амин	`C[C@@H](NC)Cc1ccccc1`
\((R)\)-A3	(2R)-N-Метил-2-фенилпропан-1-амин	`C[C@@H](CNC)c1ccccc1`

Решение

9.1

Метиламин, CN, и цианоборогидрид натрия, [Na+].[BH3-]C#N, обеспечивают восстановительное аминирование. Карбонильная группа превращается в атом углерода, несущий N-метиламиногруппу, \(\ce{-NHCH3}\).

Суммарное уравнение превращения с расставленными коэффициентами, в котором \(\ce{2[H]}\) обозначает восстановительные эквиваленты, поступающие в ходе восстановления, имеет вид

\[ \ce{R^1C(=O)R^2 + CH3NH2 + 2[H] -> R^1CH(NHCH3)R^2 + H2O}. \]

Сопутствующий продукт — вода, O. В случае альдегида одна из групп \(\ce{R^1}\) или \(\ce{R^2}\) представляет собой водород.

С точки зрения механизма метиламин атакует карбонильный атом углерода. Переносы протонов и отщепление воды приводят к образованию промежуточного имина или иминиевого иона; присоединение гидрид-иона к его атому углерода даёт амин.

Поскольку продукт содержит углерод, водород и азот, именно они составляют три входящих в него элемента.

Обычная интерпретация такой картины спектров ЯМР указывает на монозамещённое бензольное кольцо:

Ароматические протоны находятся в трёх типах окружения: орто, мета и пара, что обычно соответствует соотношению протонов \(2:2:1\).
Ароматические атомы углерода находятся в четырёх типах окружения: ипсо, орто, мета и пара.

Таким образом, шесть ароматических атомов углерода дают четыре сигнала углерода. Остальные четыре сигнала соответствуют четырём различным неароматическим атомам углерода, что даёт в общей сложности десять атомов углерода. При наличии одного атома азота указанной молекулярной массе соответствуют пятнадцать атомов водорода:

\[ 10(12)+15(1)+14=149. \]

Следовательно, молекулярная формула имеет вид

\[ \boxed{\ce{C10H15N}}, \qquad M\approx149\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

Степень ненасыщенности этого соединения равна

\[ \mathrm{DBE} =\frac{2(10)+2+1-15}{2} =4. \]

Все четыре единицы ненасыщенности приходятся на бензольное кольцо. Следовательно, оставшаяся часть должна быть насыщенной и ациклической.

Один из четырёх неароматических атомов углерода принадлежит N-метильной группе. Распределение остальных трёх атомов углерода между фенильной и N-метиламиногруппами даёт три хиральные структуры, приведённые в ответах:

A1: стереогенный атом углерода связан с \(\ce{NHCH3}\), фенилом, этилом и водородом.
A2: стереогенный атом углерода связан с \(\ce{NHCH3}\), бензилом, метилом и водородом.
A3: стереогенный атом углерода связан с \(\ce{CH2NHCH3}\), фенилом, метилом и водородом.

В каждом из этих соединений имеются четыре различных типа окружения неароматических атомов углерода, что согласуется с наличием восьми сигналов углерода в целом.

Остальные насыщенные структуры не удовлетворяют требованию хиральности. N-Метил-3-фенилпропан-1-амин, CNCCCc1ccccc1, не имеет углеродного стереоцентра. N-Метил-2-фенилпропан-2-амин, CNC(C)(C)c1ccccc1, имеет две одинаковые метильные группы при замещённом атоме углерода; кроме того, у него отсутствует связанный с углеродом атом водорода, вводимый при обычном восстановительном аминировании. Вследствие инверсии азот не образует конфигурационно устойчивого стереоцентра в этих обычных ациклических аминах.

Соответствующие карбонильные предшественники подтверждают указанный способ получения:

Продукт	Карбонильный предшественник	SMILES предшественника
A1	1-Фенилпропан-1-он, или пропиофенон	`CCC(=O)c1ccccc1`
A2	1-Фенилпропан-2-он, или фенилацетон	`CC(=O)Cc1ccccc1`
A3	2-Фенилпропаналь	`CC(C=O)c1ccccc1`

Суммарные уравнения их реакций с расставленными коэффициентами имеют вид

\[ \ce{PhCOCH2CH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(NHCH3)CH2CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH2COCH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH2CH(NHCH3)CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH(CH3)CHO + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(CH3)CH2NHCH3 + H2O}. \]

В случае A3 стереогенный атом углерода уже присутствует в альдегидном предшественнике.

9.2

В предоставленном тексте не указаны ни структуры, ни реагенты, ни условия реакций, ни связи между обозначениями B–F. Эти сведения содержатся в отсутствующей схеме.

Приведённые выше карбонильные предшественники показывают возможные способы получения всех трёх соединений, однако без схемы нельзя сопоставить их с обозначениями B–F. Оставшийся текст также не позволяет выбрать один позиционный изомер. Поэтому для указания конкретных соответствий пришлось бы выдумывать сведения.

9.3

Из пункта 9.1 следует, что A содержит десять атомов углерода. Следовательно,

\[ n_{\mathrm C}(X)=n_{\mathrm C}(Y)=10-1=\boxed{9}. \]

У вицинального диола гидроксильные группы находятся при соседних атомах углерода. Это условие, структурная изомерия и число атомов углерода не определяют однозначно углеродные скелеты или абсолютные конфигурации X и Y. Отсутствующие реакции также необходимы, чтобы определить, на каких этапах стереохимия сохраняется, обращается или формируется заново в G–N.

Тем не менее требование \((R)\)-конфигурации можно точно сформулировать для каждой возможной конечной структуры. Приоритеты заместителей по правилам Кана–Ингольда–Прелога:

Возможное соединение	Приоритет 1	Приоритет 2	Приоритет 3	Приоритет 4
A1	\(\ce{-NHCH3}\)	Фенил	\(\ce{-CH2CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A2	\(\ce{-NHCH3}\)	\(\ce{-CH2Ph}\)	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A3	\(\ce{-CH2NHCH3}\)	Фенил	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)

Для A1 фенил имеет более высокий приоритет, чем этил, поскольку на следующем этапе сравниваются \((\ce{C},\ce{C},\ce{C})\) и \((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\) с применением правила дублирования атомов при кратных связях. Для A2 бензил аналогичным образом имеет более высокий приоритет, чем метил. Для A3 список атомов для сравнения у аминометильного атома углерода имеет вид \((\ce{N},\ce{H},\ce{H})\), поэтому он имеет более высокий приоритет, чем фенильный атом углерода.

Чтобы изобразить любую из требуемых \((R)\)-структур, направьте водород от наблюдателя и расположите заместители в порядке приоритетов \(1\rightarrow2\rightarrow3\) по часовой стрелке. Стереохимические SMILES в ответах кодируют эти конфигурации. Для выбора той из них, которая соответствует A, необходима отсутствующая схема.

Ответы проверены по официальным ответам, опубликованным организаторами.

IChO 2017 · مسألة نظرية 9

إلى المجهول

تنزيل PDFIChO 2017

المركب العضوي A كيرالي ويحتوي على ثلاثة عناصر فقط، ووزنه الجزيئي (MW) يساوي 149 (مقربًا إلى عدد صحيح).

يُظهر طيف الرنين المغناطيسي النووي لـ \({}^{1}\mathrm{H}\) للمركب A، من بين إشارات أخرى، ثلاثة أنواع من البروتونات العطرية، ويُظهر طيف الرنين المغناطيسي النووي لـ \({}^{13}\mathrm{C}\) ثماني إشارات، تقع أربع منها في المجال 120-140 جزءًا في المليون.

يمكن تحضير المركب A بمعالجة مركب كربونيل بميثيل أمين، ثم بـ \(\ce{NaBH3CN}\).

9.1 اكتب جميع الصيغ البنائية الممكنة للمركب A. لا يُطلب إظهار الكيمياء الفراغية، ولا تُدرج المتماكبات الفراغية.

9.2 يمكن اصطناع أحد المتماكبات الموضعية للمركب A (البنية A1 أو A2 أو A3) انطلاقًا من المركب B أو C ومن D كما هو موضح في المخطط أدناه. اكتب الصيغ البنائية للمركبات B-F وللمتماكب الموضعي للمركب A.

9.3 المركب A هو الصورة \((R)\) لإحدى البنى A1–A3. ويمكن تحضيره من الديولين المتجاورين X وY كما هو موضح في المخطط أدناه. الديولان متماكبان بنائيان، وتحتوي كل بنية منهما على ذرة كربون أقل مما في المركب A.

اكتب الصيغ البنائية للمركبات G-N وX وY وللصورة \((R)\) من المركب A. يجب أن تُظهر الكيمياء الفراغية لجميع المركبات.

نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.

الإجابات

عُيّنت الرموز A1–A3 أدناه لأغراض هذا الحل. يرمز \(\ce{Ph}\) إلى مجموعة الفينيل، وتمثيل SMILES الذي يحدد نقطة ارتباطها هو [*]c1ccccc1.

9.1. المتماكبات البنائية الثلاثة المقصودة هي:

الرمز	الاسم	الصيغة البنائية المكثفة	SMILES
A1	N-ميثيل-1-فينيل بروبان-1-أمين	\(\ce{PhCH(NHCH3)CH2CH3}\)	`CCC(NC)c1ccccc1`
A2	N-ميثيل-1-فينيل بروبان-2-أمين	\(\ce{PhCH2CH(NHCH3)CH3}\)	`CC(NC)Cc1ccccc1`
A3	N-ميثيل-2-فينيل بروبان-1-أمين	\(\ce{PhCH(CH3)CH2NHCH3}\)	`CC(CNC)c1ccccc1`

9.2. لا يمكن تحديد B–F والمتماكب الموضعي المختار تحديدًا وحيدًا: فمخطط التفاعلات الذي يبيّن العلاقات بينها والكواشف المستخدمة غير مطبوع في المسألة.
9.3. يحتوي كل من X وY على تسع ذرات كربون. ولا يمكن تحديد بنيتيهما وكيميائهما الفراغية، ولا تعيين المركبات G–N وهوية المركب A المختار، دون المخطط المفقود. البنى النهائية الثلاث الممكنة ذات التهيئة \((R)\) هي:

المركب المرشح	الاسم	تمثيل SMILES للكيمياء الفراغية
\((R)\)-A1	(1R)-N-ميثيل-1-فينيل بروبان-1-أمين	`CC[C@@H](NC)c1ccccc1`
\((R)\)-A2	(2R)-N-ميثيل-1-فينيل بروبان-2-أمين	`C[C@@H](NC)Cc1ccccc1`
\((R)\)-A3	(2R)-N-ميثيل-2-فينيل بروبان-1-أمين	`C[C@@H](CNC)c1ccccc1`

الحل

9.1

يُجري ميثيل أمين، CN، وسيانوبوروهيدريد الصوديوم، [Na+].[BH3-]C#N، أَمْيَنة اختزالية. وتتحول مجموعة الكربونيل إلى ذرة كربون تحمل مجموعة N-ميثيل أمينو، \(\ce{-NHCH3}\).

التحول الصافي الموزون، حيث تمثل \(\ce{2[H]}\) المكافئات الاختزالية المقدمة أثناء الاختزال، هو

\[ \ce{R^1C(=O)R^2 + CH3NH2 + 2[H] -> R^1CH(NHCH3)R^2 + H2O}. \]

الناتج المصاحب هو الماء، O. وفي حالة الألدهيد، تكون إحدى المجموعتين \(\ce{R^1}\) أو \(\ce{R^2}\) هيدروجينًا.

من حيث الآلية، يهاجم ميثيل أمين ذرة كربون الكربونيل. وتؤدي انتقالات البروتون وحذف الماء إلى تكوين وسيط إيمين/إيمينيوم؛ ثم تؤدي إضافة الهيدريد إلى ذرة الكربون فيه إلى إنتاج الأمين.

بما أن الناتج يحتوي على الكربون والهيدروجين والنيتروجين، فإنها تمثل عناصره الثلاثة.

التفسير المعتاد لنمط الرنين المغناطيسي النووي هو وجود حلقة بنزين أحادية الاستبدال:

تشغل البروتونات العطرية ثلاث بيئات: أورثو وميتا وبارا، تقابل عادةً بروتونات بنسبة \(2:2:1\).
تشغل ذرات الكربون العطرية أربع بيئات: إيبسو وأورثو وميتا وبارا.

وهكذا، تعطي ذرات الكربون العطرية الست أربع إشارات كربون. وتقابل الإشارات الأربع الأخرى أربع ذرات كربون غير عطرية مختلفة، مما يعطي عشر ذرات كربون إجمالًا. ومع وجود ذرة نيتروجين واحدة، تقتضي الكتلة الجزيئية وجود خمس عشرة ذرة هيدروجين:

\[ 10(12)+15(1)+14=149. \]

ومن ثم تكون الصيغة الجزيئية

\[ \boxed{\ce{C10H15N}}, \qquad M\approx149\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]

ودرجة عدم الإشباع هي

\[ \mathrm{DBE} =\frac{2(10)+2+1-15}{2} =4. \]

تمثل حلقة البنزين درجات عدم الإشباع الأربع كلها. ولذلك يجب أن يكون الجزء المتبقي مشبعًا وغير حلقي.

تنتمي إحدى ذرات الكربون الأربع غير العطرية إلى مجموعة N-ميثيل. ويعطي توزيع ذرات الكربون الثلاث الأخرى بين مجموعتي الفينيل وN-ميثيل أمينو البنى الكيرالية الثلاث المذكورة في الإجابات:

A1: تحمل ذرة الكربون المولّدة للتصاوغ الفراغي \(\ce{NHCH3}\) وفينيل وإيثيل وهيدروجين.
A2: تحمل ذرة الكربون المولّدة للتصاوغ الفراغي \(\ce{NHCH3}\) وبنزيل وميثيل وهيدروجين.
A3: تحمل ذرة الكربون المولّدة للتصاوغ الفراغي \(\ce{CH2NHCH3}\) وفينيل وميثيل وهيدروجين.

لكل منها أربع بيئات كربون غير عطرية متميزة، بما يتفق مع وجود ثماني إشارات كربون إجمالًا.

لا تستوفي الترتيبات المشبعة الأخرى شرط الكيرالية. فالمركب N-ميثيل-3-فينيل بروبان-1-أمين، CNCCCc1ccccc1، لا يحتوي على مركز كربوني مولّد للتصاوغ الفراغي. أما N-ميثيل-2-فينيل بروبان-2-أمين، CNC(C)(C)c1ccccc1، فيحتوي على مجموعتي ميثيل متماثلتين على ذرة الكربون المستبدلة؛ كما أنه يفتقر إلى الهيدروجين المرتبط بالكربون الذي تُدخله الأَمْيَنة الاختزالية المعتادة. ولا يوفر انقلاب النيتروجين مركزًا مولّدًا للتصاوغ الفراغي ثابت التهيئة في هذه الأمينات الاعتيادية غير الحلقية.

تؤكد طلائع الكربونيل المقابلة طريقة التحضير المذكورة:

الناتج	طليعة الكربونيل	تمثيل SMILES للطليعة
A1	1-فينيل بروبان-1-ون، أو بروبيوفينون	`CCC(=O)c1ccccc1`
A2	1-فينيل بروبان-2-ون، أو فينيل أسيتون	`CC(=O)Cc1ccccc1`
A3	2-فينيل بروبانال	`CC(C=O)c1ccccc1`

تفاعلاتها الصافية الموزونة هي

\[ \ce{PhCOCH2CH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(NHCH3)CH2CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH2COCH3 + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH2CH(NHCH3)CH3 + H2O}, \]

\[ \ce{PhCH(CH3)CHO + CH3NH2 + 2[H] -> PhCH(CH3)CH2NHCH3 + H2O}. \]

في حالة A3، تكون ذرة الكربون المولّدة للتصاوغ الفراغي موجودة أصلًا في الطليعة الألدهيدية.

9.2

لا يقدم النص المعطى أي بنى أو كواشف أو شروط تفاعل أو ترابط بين الرموز B–F. فهذه التفاصيل واردة في المخطط المفقود.

تثبت طلائع الكربونيل المذكورة أعلاه إمكان تحضير المرشحات الثلاثة جميعها، لكن لا يمكن إسنادها إلى B–F دون المخطط. كما أن بقية النص لا تحدد متماكبًا موضعيًا واحدًا. ولذلك فإن تقديم تعيينات محددة يستلزم اختلاق معلومات.

9.3

من الجزء 9.1، يحتوي A على عشر ذرات كربون. ولذلك،

\[ n_{\mathrm C}(X)=n_{\mathrm C}(Y)=10-1=\boxed{9}. \]

يحمل الديول المتجاور مجموعتي هيدروكسيل على ذرتي كربون متجاورتين. ولا يحدد هذا الشرط، مع التماكب البنائي وعدد ذرات الكربون، الهيكلين الكربونيين أو التهيئتين المطلقتين للمركبين X وY. كما أن التفاعلات المحذوفة ضرورية لتحديد المواضع التي يُحتفظ فيها بالكيمياء الفراغية أو تُعكس أو تُنشأ من جديد في G–N.

ومع ذلك، يمكن تحديد شرط التهيئة \((R)\) بدقة لكل بنية نهائية ممكنة. وأولوياتها وفق قواعد كان–إنغولد–بريلوغ هي:

المركب المرشح	الأولوية 1	الأولوية 2	الأولوية 3	الأولوية 4
A1	\(\ce{-NHCH3}\)	فينيل	\(\ce{-CH2CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A2	\(\ce{-NHCH3}\)	\(\ce{-CH2Ph}\)	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)
A3	\(\ce{-CH2NHCH3}\)	فينيل	\(\ce{-CH3}\)	\(\ce{-H}\)

في A1، تتقدم مجموعة الفينيل على الإيثيل في الأولوية لأن المقارنة التالية تكون بين \((\ce{C},\ce{C},\ce{C})\) و\((\ce{C},\ce{H},\ce{H})\)، بتطبيق اصطلاح تكرار الذرات للروابط المتعددة. وفي A2، تتقدم مجموعة البنزيل على الميثيل في الأولوية على نحو مماثل. وفي A3، تكون قائمة المقارنة لذرة كربون مجموعة أمينوميثيل هي \((\ce{N},\ce{H},\ce{H})\)، ولذلك تتقدم على ذرة كربون الفينيل في الأولوية.

لرسم أي من البنى المطلوبة ذات التهيئة \((R)\)، وجّه الهيدروجين بعيدًا عن الناظر، ورتّب الأولويات \(1\rightarrow2\rightarrow3\) في اتجاه عقارب الساعة. وتُرمّز تمثيلات SMILES للكيمياء الفراغية الواردة في الإجابات هذه التهيئات. ويلزم المخطط المفقود لاختيار أي منها هو A.

تمت مراجعة النتائج بمقارنتها بالنتائج الرسمية التي نشرها المنظمون.