多烯化合物的cope重排反应.pdf

第21卷 第3期大 学 化 学2006年6月多烯化合物的Cope重排反应: [ 5, 5]σ迁移、 串联[ 3, 3]σ迁移与自由基重排机理许家喜(北京大学化学与分子工程学院 生物有机与分子工程教育部重点实验室 北京100871)摘要 介绍戊二烯基苯基醚和1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物重排反应的机理戊二烯基苯基醚的重排反应是经过[5, 5 ]和串联的[3, 3]σ迁移反应双途径进行的;而1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物重排反应既可以经过[5, 5]和串联的[3, 3]σ迁移反应双途径进行,也可以经过自由基机理进行σ迁移反应是有机化学中的重要重排反应,在有机合成中得到了广泛应用在[i, j]σ迁移反应中,关于[3, 3 ]σ迁移反应在现有的有机化学教材和学习材料中讨论得较多[1～2 ], 作者本人也曾对其立体化学过程做过一些讨论[3 ]在教学过程中,常会碰到一些[5, 5 ]σ迁移反应的例子,如在教材和习题中常见到的例子[1, 4 ],通常被认为是发生了[5, 5 ]σ迁移反应 和H[1, 5 ]σ迁移反应[1 ](图1)图1 戊二烯基苯基醚的σ迁移反应这种分析符合轨道对称性,但是否会发生竞争的[3, 3 ]σ迁移反应、 及串联的[3, 3 ]σ迁移反应?我们知道,邻位双甲基化的烯丙基苯基醚在进行Claisen重排时会发生串联的[3, 3 ] σ迁移反应(图2)。

图2 烯丙基苯基醚σ迁移反应的过程为了能够准确回答这些问题,查阅了原始文献[5 ], Frater和Schmid研究了戊二烯基苯基醚(1)的重排反应(图3)该结果表明,戊二烯基苯基醚1的重排并不是专一的[5, 5 ]σ迁移反应,同时有[3, 3 ]σ迁移反应发生戊二烯基苯基醚1经[3, 3 ]σ迁移反应生成中间体5,然后互变异构得到了产82图3 戊二烯基苯基醚σ迁移反应的实验结果物2;产物5通过单键旋转可以形成产物5′,其经过[3, 3 ]σ迁移反应生成中间体6,然后互变 异构得到了产物4;产物3既可以由戊二烯基苯基醚1直接经[5, 5 ]σ迁移反应经中间体7和 互变异构得到,也可以由生成产物2的中间体5进一步发生[3, 3 ]σ迁移反应经中间体7和 互变异构生成反应机理见图4图4 戊二烯基苯基醚σ迁移反应的反应过程可能是由于中间体5进一步发生[3, 3 ]σ迁移反应的速率快于单键旋转,也可能是1发 生[5, 5 ]σ迁移反应比较容易,因此,产物4较少Wender等在通过σ迁移反应扩环来合成大环化合物时,提出了1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物重 排反应可以经过[5, 5 ]σ迁移反应和连续的或串联的[3, 3 ]σ迁移反应两种途径进行[6, 7 ](图5)。

图5 环状1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物的[ 5, 5]σ迁移和串联的[ 3, 3]σ迁移反应92后来,该研究小组又用下列链状非对称的1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物8的重排反应验证了他 们提出的该重排反应可以经过[5, 5 ]σ迁移反应和串联的[3, 3 ]σ迁移反应两种途径进行[8 ](图6)图6 链状1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物的[ 5, 5]σ迁移和串联的[ 3, 3]σ迁移反应上述重排产物通过氢化后得到产物9, 10和11得到鉴定产物9是8先通过[5, 5 ]σ迁移反应得到烯醇负离子16,酸化后互变异构成酮17,最后氢化得到的;产物11是8先经过[3, 3 ]σ迁移反应得到烯醇负离子12,然后互变异构成酮13,再氢化得到的;产物10显然只能 是8先经过[3, 3 ]σ迁移反应,得到烯醇负离子12,其发生单键旋转后形成具有12′结构的烯 醇负离子,再发生[3, 3 ]σ迁移反应得到烯醇负离子14,其互变异构成酮15,最后氢化得到的;产物9也可以通过串联的[3, 3 ]σ迁移反应生成,由于产物9可以经过[5, 5 ]σ迁移反应和串 联的[3, 3 ]σ迁移反应两种途径生成,所以产率高,为主要产物(图7)。

图7 链状1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物发生[ 5, 5]σ迁移和串联的[ 3, 3]σ迁移反应的过程图中中间体酮15和17中羰基β,γ位的双键在酸化处理后可能会部分移位成α,β位的双键由于原文献是原位还原的,给出的结构不一定是主要产物的结构,但不影响对反应机理的确定和理解以上两个例子均是烯醇负离子加速的Cope重排反应下列3, 42 二甲基 21, 52 己二烯光学异构体的Cope重排反应是研究得很清楚的[9 ],因而被许多教科书或材料引用(图8)在Doering和Roth仔细研究了3, 42 二甲基 21, 52 己二烯光学异构体Cope重排反应的3年后, Gibson和Pettit就扩展了该体系,研究了双烯基取代的Cope重排反应,即1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物18的重排反应结果表明,除易发生聚合反应外,它的内消旋体和一对外消旋体在375℃ 发生重排反应均得到相似组成的混合产物,并含有30%左右的原料(图9)[10 ]与Doering和Roth的3, 42 二甲基 21, 52 己二烯的Cope重排反应相比,该重排反应无明显的立体选择性, Gibson和Pettit认为可能是通过自由基机理进行的,并制备了下列双氘代的1, 3,03图8 3, 42 二甲基 21, 52 己二烯的Cope重排反应图9 1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物的Cope重排反应7, 92 癸四烯衍生物22,并将其与等量的非氘代的18混合后进行重排反应,对重排反应产物进 行质谱分析结果表明,其中各种重排产物中的主要产物均为含有一个氘原子的多烯。

这说明 得到的重排产物为交叉产物,要生成交叉产物,一定是在加热条件下先发生单键断裂形成两个 戊二烯基自由基,然后戊二烯基自由基再结合形成重排产物[10 ]1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物22在加热条件下先发生单键断裂形成两个戊二烯基自由基,这种经过热裂解形成的自由基还可以发生重排,自由基重排时双键的构型也会发生改变,然后任何 两个自由基再结合形成重排产物,自由基结合过程的立体选择性就比经过环状过渡态的差,因 此,该热解自由基重排反应就没有明显的立体选择性反应过程见图101, 3, 7, 92 癸四烯衍生物的热重排反应与1, 52 己二烯的Cope重排反应机理不同的原因被 认为是由于戊二烯基自由基比烯丙基自由基稳定,更易形成,因此,其重排反应经过自由基机理进行,而不是经过环状过渡态虽然Doering和Roth的3, 42 二甲基 21, 52 己二烯的Cope重排反应是经过环状过渡态进行 的,并具有很好的立体选择性但早在1948年Koch就报道了内消旋的3, 42 二苯基 21, 52 己二烯在150oC重排就得到3:2的1, 62 二苯基 21, 52 己二烯和1, 42 二苯基 21, 52 己二烯的混合物(图11)[11]。

13图10 1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物Cope重排反应的过程图11 3, 42 二苯基 21, 52 己二烯的Cope重排反应主要产物1, 62 二苯基 21, 52 己二烯主要通过环状过渡态重排形成,而次要产物1, 42 二苯基 21, 52 己二烯只能通过自由基的二聚形成,这表明该重排反应至少有一部分是通过自由基机理 进行的反应机理见图12图12 3, 42 二苯基 21, 52 己二烯Cope重排反应的机理与1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物的热重排反应相似,该重排反应可以通过自由基机理进行的原 因是内消旋的3, 42 二苯基 21, 52 己二烯在加热条件下形成的烯丙基自由基与苯基相连,同时也 是苄基自由基,比较稳定,容易形成所致以上归纳总结了文献中关于1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物(包括含有氧杂原子的共轭体系)的 热重排反应机理,虽然该类化合物在加热条件下具有发生同面 2 同面[5, 5 ]σ迁移反应的轨道对称性但从实验结果来看,其重排机理是多样性的,一般是[5, 5 ]σ迁移反应和串联的[3,3 ]σ迁移反应机理并存;对于简单1, 3, 7, 92 癸四烯衍生物的热重排反应主要是通过自由基机 理进行的。

通过该总结可以发现,在[i, j]σ迁移反应中,除常见的[3, 3 ]和[2, 3 ]σ迁移反应 外,含有多个双键的共轭体系的重排反应是复杂的,对重排产物的结构不能简单地用轨道对称 性来判断相信通过对[5, 5 ]体系重排机理的分析,可以加深对复杂[i, j]体系重排机理的理解23参 考 文 献1 梁世懿,成本诚.高等有机化学.北京:高等教育出版社, 19932 邢其毅,周政,徐瑞秋,等.基础有机化学.第2版.北京:高等教育出版社, 19943 许家喜.大学化学, 1998, 13: 164 邢其毅,徐瑞秋,裴伟伟.基础有机化学习题解答与解题示例.北京:北京大学出版社, 19985 Frater Gy, Schmid H.Helv Chim Acta, 1970, 53: 2696 Wender P A, Sieburth SMcN.Tetrahedron Lett, 1981, 22: 24717 Wender P A, Sieburth SMcN, Petraitis J J,et al .Tetrahedron, 1981, 37: 39678 Wender P A, Ternansky R J, Sieburth SMcN.Tetrahedron Lett, 1985, 26: 43189 DoeringW v E, RothW R.Tetrahedron, 1962; 18: 6710 Gibson D H, Pettit R.J Am Chem Soc, 1965, 87: 262011 Koch H P.J Chem Soc, 1948: 1111烟雾为什么会诱发变态反应虽然有过大量流行病学的研究,究其原因至今仍然扑朔迷离。

德国Munich工业大学的U.Poeschl, M.G . Weller和合作者提供了第一个合理的分子水平的解释:与交通污染所导致的蛋白质的硝化有关他们发现,当致敏物中最常见的桦树花粉蛋白质暴露在城市室外空气中或实验室配制的NO2和O3混合气中时,很容易被硝化Poeschl说,二氧化氮与臭氧相互作用后,生成高活性的NO3自由基,进而对大气所含蛋白质中裸露在外的酪氨酸发生硝化反应因为已知硝化蛋白质是一种对免疫系统有刺激作用的物质,所以该文作者认为,污染物导致硝化的蛋白质是变态反应和污染之间的化学链从窗边尘埃、 道路尘埃和大气飘尘中找到的硝化蛋白质是对这个假设的支持Poeschl等人认为,虽然硝化蛋白质并非工业国家中变态反应患者日益增多的惟一原因,但是我们最近的发现表明,它可能起着关键的作用[Environ Sci Technol, 2005, 39: 1763]宋琦 氨基酸离子液体及应用日本东京农业及技术大学的H. Ohno和他的助手认为,新型室温氨基酸离子液体用作多肽合成中间体和在药物化学、 工业化学中的应用前景非常广阔把12 乙基 232 甲基咪唑氢氧化物( [ emi m ] [OH ])的水溶液加到丙氨酸[Ala]和19种其他天然氨基酸的水溶液中就可以得到这类化合物。

在除去水后,用元素分析和NMR光谱可以确定这类离子液体的结构这种透明的、 几乎无色的离子液体能够和多种有机溶剂相混溶Ohno认为,这类氨基酸离子液体在研究阳离子结构和离子液体的物理和化学性质的关系时,是一类很好的模型物离子液体[ emim ] [Ala]的玻璃化温度、 离子电导性以及和其他有机溶剂的混溶性等,都和氨基酸阳离子的侧基结构直接相关,就是一个例证N H3CN CH2CH3H2NCHCH3CO-O[J Am Chem Soc, 2005, 127: 2398]宋琦 33。