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有機化学において、チエプラック効果は、求核剤がカルボニルの一方の面に優先的に付加する理由を合理的に説明する予測モデルです。1980 年に Andrzej Stanislaw Cieplak によって提案されたこのモデルは、当時Cram モデルやFelkin–Anhモデルなどの他の標準モデルでは正当化できなかった結果を正しく予測します。チエプラック モデルでは、隣接する結合からの電子が、形成中の炭素–求核剤 (C–Nuc) 結合に非局在化し、遷移状態のエネルギーを下げて反応速度を加速します。[ 1 ]どの結合が C–Nuc 結合に最もよく電子を供与できるかによって、求核剤が付加するカルボニルの面が決まります。求核剤は、多くの試薬のいずれかであり、最も一般的なのは有機金属剤または還元剤です。シープラック効果は微妙なものであり、立体効果、溶媒効果、カルボニル酸素の対イオン錯体形成、その他の効果と競合して生成物分布を決定することが多い。その後の研究では、その正当性に疑問が呈されている（批判を参照）。
シープラック効果は、電子を非局在化させるために満たされた軌道と空の軌道を混合する安定化相互作用に依存しており、これは超共役として知られています。[ 2 ]あるシステムの最高被占分子軌道（HOMO）と別のシステムの最低空分子軌道（LUMO）のエネルギーと空間的重なりが同程度の場合、電子は非局在化してより低いエネルギー準位に沈むことができます。多くの場合、システムのHOMOは満たされたσ（結合性）軌道であり、LUMOは空のσ* （反結合性）軌道です。この混合は安定化相互作用であり、アノマー効果などの現象を説明するために広く使用されています。超共役の一般的な要件は、軌道の重なりを最大にするために、電子密度を供与および受容する結合が互いに反ペリプラナーであることです。
シープラック効果は、超共役を利用して、求核剤のカルボニル炭素への面選択的付加を説明する。具体的には、アンチペリプラナー電子供与性置換基による低エネルギーのσ* C-Nuc結合への供与が安定化相互作用であり、これにより、ある立体特異的反応経路の遷移状態エネルギーが低下し、その結果、片側からの攻撃速度が増加する。最も単純なモデルでは、立体配座的に制約されたシクロヘキサノンが対応するアルコールに還元される。還元剤は、ブルギ-デュニッツ角に沿った攻撃によってカルボニル炭素にヒドリドを付加する。この攻撃は、擬軸方向軌道に沿って上から来るか、擬赤道方向軌道に沿って下から来るかのいずれかである。大きな還元剤は、環上の軸方向水素との立体相互作用を避けるために、ヒドリドを赤道位置に付加することが古くから知られている。しかし、小さなヒドリド源は、いまだ議論されている理由で、ヒドリドを軸方向位置に付加する。[ 3 ]
シープラック効果は、形成されるσ* C–H軌道と幾何学的に整列したσ軌道との超共役が立体選択性を制御する安定化相互作用であると仮定することで、この現象を説明する。赤道方向のアプローチでは、形成されるC–H結合に対して幾何学的にアンチペリプラナーに整列している結合は環のC–C結合であるため、σ* C–Hに電子密度を供与する。軸方向のアプローチでは、隣接する軸方向のC–H結合が形成されるC–H結合に対してアンチペリプラナーに整列しているため、σ* C–Hに電子密度を供与する。CH結合はC–C結合よりも優れた電子供与体であるため、この安定化相互作用によりよく関与することができ、この経路が優先される。[ 1 ]
Cieplakの提案は、さまざまな電子的置換基が生成物分布に及ぼす影響を調査することによって裏付けられています。C2位にメトキシ基などの電子吸引性置換基を導入すると、置換シクロヘキサノンの還元は赤道攻撃を優先するようになります。[ 4 ]これは、軸方向のCO結合がC–C結合よりも電子供与性が低いため、軸方向攻撃があまり有利にならないためです。
Cieplak は、C3 に電子吸引性置換基を導入することでこの効果を実証しました。これにより、環状 C–C 結合の電子供与能力が低下し、この結合に対してアンチペリプラナーである赤道攻撃が不利になります。[ 5 ] C3 の電子供与性置換基は、C–C 電子密度の増加により σ C-Cが σ* C-Nucに供与され、それによって赤道アプローチが促進されるため、赤道アプローチを有利にします。
この効果は、求核剤の電子的性質を変えることによっても調べることができる。電子不足の求核剤の場合、形成されるC-Nuc結合のσ*はエネルギーが低く、電子豊富な軸方向CH結合に対してアンチペリプラナー攻撃によってより安定化される。したがって、攻撃は軸方向に起こる。[ 6 ]しかし、求核剤が電子豊富である場合、より多くの電子密度の供与は好ましくなく、赤道方向の攻撃が優勢になる可能性がある。[ 7 ]これらの傾向は、求核剤の立体障害を正規化した場合でも観察されている。[ 1 ]
置換ノルボルノンでは、求核攻撃はσ* C-Nucに最もよく供与できる結合に対してアンチペリプラナーで起こる。[ 8 ]この相互作用のために位置付けられている結合は、6員環上のブリッジヘッドC–C結合である。エチル基など、これらの結合に電子密度を供与する置換基は、アルキル基にアンチな付加の速度を増加させ、これがアンチペリプラナー軌道となる。しかし、エステルなどの電子吸引性置換基がC–C結合に付加されると、選択性はシン付加を優先し、σ* C-Nucに供与する結合は、水素置換されたより電子豊富なC–C結合となる。[ 9 ]
同様の例は置換2-アダマントンにも見られ、遠隔5位の電子特性を変化させると生成物分布に大きな影響を与える。[ 10 ]ヒドロキシル基は、アンチペリプラナーで形成されるσ* C–H結合に誘導的に電子密度を供与できるため、その側からの攻撃が有利になる。しかし、電子吸引性のエステル置換基には、この安定化能力がない。代わりに、C–H結合はC–CO2Me結合よりも優れた電子供与体であるため、攻撃は水素置換基に対してアンチで起こり、続いてエステル基に対してシンとなる。これは、他の立体化学モデルでは説明が困難であった遠隔電子供与基の立体化学的結果への影響を説明する。アダマントン骨格の剛性により、配座を厳密に制御し、競合効果を最小限に抑えることができる。[ 11 ]
シープラックモデルは賛否両論の評価を受けており、その基本的な論理と予測能力の両方に対する批判が浮上している。形成中の結合の遷移状態σ*軌道に電子密度を供与する安定化相互作用は、この相互作用がまさにその逆、つまり結合の不安定化を説明するために広く用いられてきたため、すぐに疑問視された。[ 12 ]従来、形成中の結合は、電子密度をLUMOに受け入れるのではなく、結合HOMOから隣接する反結合LUMOに電子密度を供与することによって安定化される。この点に関して、デイビッド・A・エバンスはシープラックの提案について次のように述べている。「構造は、最もエネルギーの高い占有状態を安定化することによって安定化される。これは、フロンティア分子軌道理論の基本的な仮定の1つである。シープラック仮説はナンセンスである。」[ 13 ] [ 14 ]しかし、ハーンとル・ノーブルは、微視的可逆性の原理を持ち出してこの点を反駁している。微視的可逆性とは、結合形成と切断の過程が平衡状態では基本的に等価であり、「結合」と「反結合」、σまたはσ*という用語にはほとんど価値を置くべきではないという原理である。[ 15 ]このモデルに対する別の批判として、ホークは、CH結合がCC結合よりも優れた電子供与体であるというシープラクの基本的な仮定に疑問を呈している。[ 16 ]この点は依然として議論の的となっており、この分野におけるもう一つの大きな論争となっている。
Cieplak効果をさらに否定するために、HoukはCieplakモデルが誤った生成物分布傾向を予測するシステムを提示した。置換トランスデカロンの場合、C4の赤道方向の電子吸引性置換基は、環状C-C結合がC-Nuc結合への供与に対して不活性化されるため、赤道方向の攻撃を抑制し、より多くの軸方向生成物を与えるはずである。しかし、実験的証拠は、軸方向の電子吸引性C4置換基が赤道方向の置換基よりも軸方向の攻撃を誘導することを示している。[ 17 ]このシステムでは軸方向軌道が超共役のために整列していないため、Houkは、以下に説明する静電的議論を持ち出してこの傾向を合理化した。
上記の系における驚くべき立体選択性を説明するために、Cieplak効果の代替説明が提案されている。置換シクロヘキサノンでは、小さな還元剤がヒドリドを軸方向に付加する傾向は、超共役ではなくねじれひずみによって引き起こされると提案されている。 [ 18 ]赤道攻撃では、求核剤は隣接する水素原子と重なるように接近し、その後、カルボニル炭素をピラミッド化しながらカルボニル置換基を重なり合う位置に押し込む。[ 19 ]軸方向アプローチでは、求核剤は隣接する水素原子に対してゴーシュに接近するため、カルボニル炭素をピラミッド化しながら重なり合う相互作用は発生しない。このねじれひずみ、つまり結合を重なり合う位置から回転させるエネルギーコストが、赤道アプローチよりも軸方向アプローチを有利にする。
置換ノルボルノンの場合、立体選択性は置換基と求核剤間の静電相互作用によって説明できる。電子吸引基はα炭素上に部分的な正電荷を生成し、これが接近する求核剤上の部分的な負電荷と有利に相互作用する。 [ 20 ]この相互作用により、電子吸引置換基に対してシン位、電子供与置換基に対してアンチ位での攻撃が誘導される可能性がある。この結論は、軌道相互作用を含めずに部分電荷をモデル化することで生成物分布を予測する計算によって裏付けられている。 [ 21 ]同様の説明は、置換アダマントンの場合の同様の結果を正当化するためにもなされている。[ 22 ]
同様に、Houkのトランスデカロン系では、部分的な負電荷を持つ求核剤は、アシルエステルの部分的な負電荷から離れた方向への攻撃を好む。この置換基が軸方向にある場合、赤道方向の経路では求核剤がより近くなるため、不利になる。[ 23 ]赤道方向に置換されたエステルでは、この基がカルボニルからさらに離れた位置にあるため、この傾向はそれほど顕著ではない。[ 17 ]
