Woodwardi reeglid: orgaaniliste ühendite UV-λmax prognoosimine

Woodwardi reeglid on rida reegleid selle kohta, kuidas orgaanilised keemilised ühendid neelavad ultraviolettvalgust.

Need annavad teavet ühendi ultraviolettkiirguse (UV) spektri neeldumismaksimumi (sümbol λ_max) lainepikkuse kohta. Reeglid on nimetatud Robert Burns Woodwardi järgi. Ta oli Harvardi ülikooli professor, kes sai 1965. aastal Nobelikeemiapreemia auhinna. Mõnikord nimetatakse neid reegleid ka Woodward-Fieseri reegliteks, et austada Louis Fieserit.

Reeglid koostavad prognoosi olemasolevate kromofooride tüübi, kromofooride substituentide ja lahustist tingitud muutuste põhjal. Näitena võib tuua konjugeeritud karbonüülühendid, konjugeeritud dieenid ja polüeenid.

Põhimõtted ja rakenduse sammud

Woodwardi reeglid on empirilised juhised, mis võimaldavad ligikaudset λ_max ennustada peamiselt π→π* ja mõnikord n→π* ülekannetega seotud kromofooridel. Reeglite kasutamisel järgitakse tavaliselt järgmisi samme:

• Tuvasta peamine kromofoor (näiteks 1,3-konjugeeritud dieen, α,β‑konjugeeritud karbonüül — enoon, laiendatud polüeen jms).
• Vali vastav baas‑λ_max väärtus tabelist (Woodwardi/Fieseri avaldatud tabelid sisaldavad baasväärtusi erinevate kromofooride kohta).
• Liida juurde empiriliselt määratletud korrigeerivad lisandid iga sobiva substituendi, konjugatsiooni laienduse, ekso‑vms struktuuriomaduse kohta.
• Arvesta lahusti ja elektronilist laengut mõjutavate teguritega (lahusti polaarsus võib nihutada λ_max kas kõrgemale — bathokroomne nihke — või madalamale — hipso‑nihke — sõltuvalt ülekande tüübist).
• Saadud tulemus on ligikaudne: reeglid annavad head esialgset hinnangut, aga mitte täpset väärtust keerukate või heteroaatomitega süsteemide puhul.

Tüüpilised mõjuparameetrid (millest lisandid sõltuvad)

• Konjugatsiooni pikkus: iga kahemööda lisanduv konjugeeritud kaksiksidemeelement madaldab ülekande energiat ja nihutab λ_max suuremale lainepikkusele.
• Alküüli ja arüüli substituendid: alkohüülrühmad või orgaanilised süsinikuahelad annavad tavaliselt väikese bathokroomse nihke, sest nad stabiliseerivad π* taset pigem kui π taset.
• Auxochroomid (nt –OH, –OR, –NH2): tugevalt elektronidonoorsed rühmad võivad suurendada konjugatsiooni ja anda märkimisväärse bathokroomse nihke.
• Elektroniga tõmbavad rühmad (nt –NO2, –CN): mõjutavad nii π kui ka n orbitale ja võivad muuta nii ülekande tüüpi kui ka intensiivsust.
• Ekso‑topoloogia (nt eksotsüklilised kaksiksidemed): struktuurne asend mõjuval kohal võib anda lisa‑nihkeid.
• Lahusti: polaarne lahusti võib tugevdada või nõrgestada konkreetsete ülekannete intensiivsust ja nihket (eriti n→π* ülekanded on lahusti suhtes tundlikud).

Woodward‑Fieseri tüüpi reeglite rakenduse näited (kontseptuaalne kirjeldus)

Reeglid antakse tavaliselt tabelite kujul: igale kromofoorile on määratud baas‑λ_max, millele liidetakse tabelis esitatud lisandid vastavate substituentide ja struktuurielementide kohta. Näide protseduurist ilma konkreetsete numbriteta:

• Tuvasta, et ühend on konjugeeritud α,β‑unsaturated karbonüül (enoon). Leia baas‑λ_max selle kromofoori kohta.
• Kui olemas on lisakonjugeeritus (nt täiendav kaksiksidemejärjestus), liida konjugeerimise tõttu tekkinud lisand.
• Liida igale alküüli- või auxochroom‑substituendile vastav korrigeeriv väärtus.
• Kui lahustina kasutatakse polaarset ainet, arvesta vastava lahusti‑korrigeeriga (kui tabel seda näitab).
• Tulemuseks on ligikaudne ennustus, mida saab võrrelda mõõdetud UV‑spektriga.

Piirangud ja kaasaegsed lähenemised

• Woodwardi reeglid on empirilised ja parimad lihtsamate, hästi konjugeeritud süsteemide puhul. Komplekssete heterotsüklite, rasketi mõjutatud elektronide või metalliorgaaniliste ühendite puhul võivad reeglid anda ebatäpseid tulemusi.
• Reeglid ei hõlma alati täpselt stereokemiat, intramolekulaarseid vesiniksidemeid või tugevaid intra‑ või intermolekulaarsidemeid, mis võivad λ_max oluliselt kujundada.
• Tänapäeval kasutatakse sageli kvantkeemilisi meetodeid (näiteks TD‑DFT — aja‑sõltuv tihedusfunktsionaali teooria) täpsemaks λ_max prognoosimiseks ning kombineeritakse neid eksperimentaalsete UV‑VIS mõõtetega.

Kasutusvaldkonnad ja praktiline tähendus

• Woodwardi reeglid on kasulikud sünteetilise keemia planeerimisel, kui tahakse hinnata, kas saadav ühend peaks andma iseloomuliku UV‑signaali (näiteks kontrollanalüüsiks või identifitseerimiseks).
• Need reeglid on hariduslikult väärtuslikud, sest annavad lihtsa ja kiire arusaama sellest, kuidas struktuursed muutused mõjutavad elektronilisi ülekandeid keemias.

Kokkuvõte: Woodwardi reeglid annavad mugava ja praktilise viisi hinnata orgaaniliste kromofooride UV‑neeldumise tipu asukohta λ_max põhjal, millist tüüpi kromofoor on olemas, kui pikk on konjugatsioon ning milliseid substituente ja lahustit kasutatakse. Need reeglid on empirilised ja annavad sageli head esialgset hinnangut, kuid keerukamate juhtumite puhul tuleks tulemusi kontrollida täpsemate eksperimendi- või arvutusmeetoditega.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Woodwardi reeglid?

K: Mille kohta annavad Woodwardi reeglid teavet?

K: Kelle järgi on reeglid nimetatud?

K: Mis oli Robert Burns Woodwardi elukutse?

K: Mille eest sai Robert Burns Woodward Nobeli preemia?

K: Keda on veel autasustatud Woodward-Fieseri reeglitega?

K: Millest lähtuvad Woodwardi reeglid ennustused?

Otsing