硕士学位论文-微波辅助串联Wittig和Diels-Alder反应的研究.pdf

加声 一,次掌 硕士学位论文 象 论文题 目微波辅助串联和一 少厂反应的研究 作者姓名孙立杰 指导教师 学科 专业化学 所在学院理学院 提交日期年月 ,决掌 位论文 论文题 目助圭联 里上 上 和俄反应的研究 硕 波微 作者姓名 指导教师 学科 专业化学 所在学院理学院 提交日期年月 一一 一 一 七一 丫 浙江大学硕士学位论文 目录 摘要 。 。 。 第一章反应 简介 叶立德的分类 叶立德的制备 , 反应 反应的简介 的立体化学 矶反应机理 反应的最新进展 一反应 无溶剂条件以及水相中和离子液体中的反应 微波辅助的反应 ” ,碱,醛进行的一锅法合成烯烃 巧 第二章 分子内的一反应 一反应的机理 分子内反应的立体化学 形成两个六并环的分子内一反应的立体化学 形成五员和六员并环的分子内一反应的立体化学 微波辅助的分子内一反应 分子 内一反应在天然产物全合成中的应用 第三章微波辅助的串联一 工一一的研究 微波辅助的串联一一一的构想 微波辅助的串联一叨一一峨的实验结果 选择结构比较简单的底物进行模型反应研究 浙江大学硕士学位论文 扩展反应的研究 微波辅助的一一的实验结果 原料的制备 反式亲二烯体的分子内一反应结果 顺式亲二烯体的分子内的一结果 , , , 串联反应得到异构体比例与得到的异构体比例进行比较 总结 第四章试验部分 参考文献 单晶衍射数据 硕士期间已发表和待发表的论文 致谢 浙江大学理学硕士学位论文 摘要 在有机化学中,有很多人名反应,其中反应和一反应在有机化 学中,占有重要的地位 。 其中反应是合成碳碳双键的一个十分重要 的方法 已经广泛的应用于天然产物全合成上 。一反应是一步可 以同时形 成两个化学健的反应,与此同时还可以形成四个或者五个立体中心,它具有反应条件 温和,高产率,良好的立体选择性,以及反应产物的结构可以预测的特点。 关于微波 辅助的反应和一反应,己有诸多的报道 。微波辅助的反应具有反 应时间短,产率高等特点 。由于反应和一反应在有机合成上有很 大的应用价值,而微波辅助的反应有诸多的优点,所以我们研究了用微波辅助的串联 的反应和分子内一来合成并环双环内酷类化合物,取得了很好的 结果 。 本论文分为四个部分,第一部分是关于的文献综述第二部分是关于 一的文献综述第三部分是关于微波辅助的串联 的和 分子 内 一的反应,并利用微波辅助的分子内的一反应来确认 串联反应 得到的产物的立体结构第四部分,为试验部分 。 第一部分,简单的介绍反应的机理,立体化学以及反应近年来的 进展,其中包括微波辅助的反应 。 第二部分,包括分子内一反应的反应机理,立体化学,以及微波辅助 的分子内的一反应 。 其中重点集中在分子内的一反应的立体选 择性上 。 第三部分,介绍微波辅助的串联反应和分子内的一反应 。我 们利用微波辅助的分子内的一来对由串联反应得到的化合物进行归属,并 通过我们得到的一单晶衍射的结果和相关的文献来确定所得化合物的立体结构 。 第四部分,为试验部分 。 丁 浙江大学理学硕士学位论文 一 一, 一一 , 一而 ,阴诚一吧耐, 晚 一 , 叭一, 一一一, , ,八, ,一 一, 们 以一 ,一一 认乞、 一浏叭 几而 一盯 , 乡 浙江大学理学硕士学位论文 第一章反应 形成碳碳双健的化学反应包括。 , 等 。反应,是用硅基位碳负离子对醛或者酮进行加成, 行消除得到双键,在不同的反应条件下可以得到不同的烯烃 。反应如下, , 然后再进 一 ,义 众 一 ,一 瘫一 ,渺 尹 尺 扩 飞 二 、 叫 歹 界 咨一 未 认 扛少 必,补 少诚 一 迎竺 。、 八。, 、一 八 图 是生成末端双键的一个十分重要的反应,反应如下, 。 火 丫 一一 , 阵 门 士 望, 尺丫 图 但是反应是应用范围最广 、最有效的合成双键的方法 。反应是通过 叶立德和拨基化合物反应得到烯烃,是有机化学中最重要的反应之一 。 一二二 图 其中为芳基 、烷基 、环烷基 、杂环基,但以苯基的研究比较普遍 。此外三个可 以不同, 可以是氢 、 烷基 、 烯基 、 炔基 、芳基,以及带有各种官能团的烃 基和芳基 。 其中是反应的重要组成部分 。 叶立德简介 叶立德的分类 叶立德 ,或称 内踢盐,是指含有 一 结构化合物,其 中可 以是 浙江大学理学硕士学位论文 ,等杂原子,其中麟叶立德,硫叶立德,氮叶立德研究的比较多,在 有机合成中有广泛的应用 。对于具有一“属 孟 结 构的 化 合 物 称为 嶙叶 立 德。 早在 年,和就制得了第一个叶立德。 其中一般是苯基, 但是也可是取代芳基,环烷基,杂烷基,烷基,以及混合芳烷基等 。 我们可以根据 ,为不同类型的取代基团时,可以把叶立德分为三类活泼 叶立德 、 稳定叶立德 、半稳定叶立德 。当 或者是烷基时,由于烷基的诱导效应,正 电荷在 上的分布会减少,这样的叶立德十分活泼可以与醛或酮反应当,或者,为吸 电子基团 ,时,由于吸电子基团分散了叶立德上的负电荷,碳负 离子的亲核性和反应性就降低了,这样的叶立德称之为稳定叶立德,这些叶立德通常和 醛可以顺利的反应,酮反应则需要比较苛刻的条件当,或者,是芳基或者是烯基时, 这样的叶立德的活性介于活泼叶立德和稳定叶立德之间,称之半稳定叶立德 。 叶立德的制备 用来制备叶立德的方法是通过季鳞盐与碱作用,制备稳定的叶立德可以用 比较弱的 碱,如乙醇钠 、 氢氧化钠 、 碳酸钠铿等,也可以用碱性比较弱的有机碱,如三乙胺 、 砒陡等而制备活泼的叶立德时,则需要丁基铿,苯基铿,氨基钠等比较强的碱 。在制 备叶立德所用的碱不含有金属铿时,我们常称这种叶立德是在没有盐的情况下制备得到 的 。 季鳞盐是由卤代烃和三苯基磷反应制备得到的,如图,在通常的条件下,形成季鳞 盐需要比较高的温度和较长的反应时间。但是用微波辅助的方法可以在短短的几分钟内 高产率来制备得到季鳞盐 。 十,日竺瞥 一 昊 图 我们在前期的工作中,用微波辅助的方法,在短短的分钟内以的产率得到砷 的叶立德盐。如图 浙江大学理学硕士学位论文 努一 浑汾菏 二 图 此外季鳞盐还可以由相应的醇或者是醋来制备得到 。如下图 田 一一一 图 反应 暇反应的简介 年和用澳化甲基三苯基磷的季磷盐在碱苯基铿的作用下 与二苯甲酮反应生成,二苯乙烯的反应标志着反应 的诞生 。 由 反 一勺卜 一珑 里 丛 望一一 。 图 反应的特点就是产物的双健位置产生于拨基所在的位置,即使在能量不利的 情况下也是如此,不会在其他区域产生双健,这是不同于其他制备烯烃的方法如卤代 烃脱卤素,醇脱水以及醋酸醋或季钱碱的消除反应。 由于七反应独特的优点,该 反应已经广泛的应用于有机合成上,尤其在天然产物上 ,如不饱和脂肪酸 、前列腺素 、 幽菇 、维生素 、香料物质以及昆虫信息素等合成方面 。今年来该反应已经应用在工业生 产上 。 由于的卓越贡献,在他岁高龄之际于年荣获诺贝尔化学奖 。 现在 人们对反应的研究兴趣仍然十分浓厚 。 的立体化学 。 五十年代初,等人由于某些半稳定叶立德的反应产生顺 、 反各半的混合物而 认为该反应缺乏立体选择性 。但是后来一系列的研究发现某些叶立德在一定条件下具有 很好的选择性 。 例如年,用溟化,双三苯嶙丁烷得到完全反式的 角鳖烯年和报道了顺式选择性的合成等人做 浙江大学理学硕士学位论文 了很多立体化学方面的工作,揭示了不同条件下高度立体选择性的七反应 。 下面将 从三种不同类型的叶立德简要的介绍其立体化学的一般规律 。 稳定叶立德 这类叶立德的反应具有一 选择性,即产物中反式占优 。 一 选择性 的大小又 与下列因素有关 。 、结构因素 三烷基型叶立德。 。一 比三苯基型叶立德环 的一 选择性大 。不仅如 此,在很多反应中前者反应所得到烯烃的产率也比较高。 若磷原子的一 位有取代基, 选择性降低 。 芳环邻位上有取代基的叶立德较无取代基的一 选择性大 。 这种影 响对苯甲 醛参与的反应尤为明显 。 、反应介质 一般而言质子溶剂及其铿盐的存在都有利于 一 式异构体的生成 。 例如乙酸 甲酷的叶 立德与苯甲醛反应时,若用苯做溶剂,顺式烯烃占乙醇为溶剂时,则增至, 当反应介质是一时,则为。由于铿盐的存在,十 与反应的中间体形成了络 合物,减小了生成顺式烯烃和反式烯烃中间体的能量差,因而生成顺式烯烃的比例会有 所增加 。 活泼叶立德 这类叶立德的馆 反应具有一 选择性 。其选择性与溶剂的性质以及锉等因素有 关 。但是在某些特定的情况下,也具有 一 选择性 。 、介质的影响 在极性大的非质子溶剂中,不管有无铿盐,产物中 一 式占优 。 在非极性溶剂中,若 有铿盐的存在,一 式量增加 。 、结构的影响 在无盐体系中,无支链的叶立德与醛发应,产物中 一 式为主 。 在有盐体系中,若醛 分子中一 碳上有支链,一 式产物占绝对优势 。如表。 一 一 一 勺卜 图 浙江大学理学硕士学位论文 表 、具有 卜选择性的活泼叶立德的反应条件 在下列情况下,活泼叶立德也具有一 选择性 。 一反应 用烃基铿作碱,鳞盐和拨基化合物反应后,再加一摩尔丁基铿,这样得到的烯烃以 一 式为主,此即一反应 。 若将三苯基叶立德换为三乙基叶立德,则产物以反式为主 。 在有 盐体系 中,端基为极性基 团的三苯基型季鳞盐。 一二 ,哪,一,一 。,一 在碱作用下与苯甲醛反应,产物 一 式 占优势 。 半稳定叶立德 、烯丙基型二,或者烷基 。 这类叶立德受铿盐的影响很小,其产物的比值都在到之间,即使用 一。法也是如此 。另外的一个特点是,当一 位有甲基时,烯丙基双键易 发生异构化 。例如, 。 笋 广 丫介, 一二 , 一 己 二日 喳 , 叫酬叫洲 图 此外,这类叶立德还易于发生一 缩合反应 。 在反应中,除了有正常的产物 之外,还有在一 位发生的缩合的产物。由于烯丙基叶立德的立体选择性不好,一般在 有机合成上应用的比较少 。 、节基型叶立德 这类叶立德的立体化学性质主要由结构因素决定的。 、 节基芳环上取代基的 性质,有吸电 子基时,产物以 反式为主,有推电 子基时, 一 选择性降低 。 浙江大学理学硕士学位论文 美国等在七十年代初发现活泼叶立德于一 在无盐条件下进行 反应,其 值在一左右,这种高场化学位移值与四员环中磷原子的价态 相符另外,等也曾对于此类似结构的磷杂环进行 测定,得到在范 围内的值,并且对某些磷杂四员环进行过 一 射线晶体结构侧定,证实了其四员环结构 。 根据上述事实,提出了反应通过形成麟杂四员环而进行的 。并且认 为这个四员环是通过。 正交方式直接加成而得到的。 这种方式预见出位阻大的醛与 无支链的活泼叶立德的反应具有高度的顺式选择性 。 在以后的工作中有进一步证 实了上述看法并肯定的指出,低温下,在无盐体系中,活泼叶立德的反应是通过 ,一 氧化磷杂四员环,而不是通过进行的,所谓的实际上是在有盐条 件下以铿盐复合物形式出现的。 鹦一一 黔 一日亩一 俪 目 。,甲 片 一 一一 图 德国基本上同意上述四员杂环的观点,但对加成方式以及如何形成 顺 、反式烯烃的问题上有分歧,他提出的机理可以用下式表示 、 尸丢代 户二 日 十一一一 一卜 二 扛 政, 气 ,。甲 尸 竺竺一气 、 、 。 、 、 日 洲丫州丫 叭洲 气 八 。 、 一 键 自由旋 转 ,一 一 一 飞 洲 技, 、, 、 ,、 伙心 叭洲 一尸。 一尸 声 , 帐 洲气 卜 了 尺 、 、 、 、 、 图 认为叶立德与醛加成首先形成四员杂环 、 ,其中,、 在环的一侧, 浙江大学理学硕士学位论文 即顺式构型,且氧原子出于双三角锥的顶键位置,经过假旋后形成,此时平一 键出 于顶键位置,着重指出,根据氧化磷杂四员环模型的从头计算法的计算,此处 假旋能差仅,即的亲顶姓很小,从谱图中看出式约占 总和的,而式的结构可以从的偶合常数推导出来 。 七提出的机理可以解释一般的立体化学规律,但是有些问题还待进一步证 实 。 近些年来,坛 反应的立体化学性质已经积累了大量的事实,总结了一些经验规 律,但尚无统一的机理来解释这些规律,大致的趋势是同意四员杂环的机理 。我们应该 看到,由于叶立德结构的不同,在不同的反应条件下,会有不同的机理,不可能用同一 种机理解释所有的实验现象 。 立体化学数据是正确认识反应机理的重要依据,而立体化 学规律的阐明又有待于正确机理的建立 。 反应的最新进展 一反应 , 稳定的叶立德在与拨基化合物反应时,一般只能与醛反应,不能与酮反应,有的甚 至不能与最活泼的醛发应,因而这就促使人们考虑进一步改进反应 。年 等人首先报道了用磷酞基稳定的碳负离子合成烯烃的这类反应,之后 报道了它们在有机合成中的应用前景 。 ,苯 一一一一一一一 刁卜 二 二, 图 这类由磷酞基活化的磷试剂与拨基化合物作用,制备烯烃的反应有各种不同的名称, 例如一反应,一反应,一反应, 一一反应,一一反应,磷酞基稳定化负离子的反应, 磷酞基活化烯烃化反应等,在此,我们统称为反应,由磷酞基,活化的磷 试剂则统称为试剂。其不同于经典的反应之处是后者所用的磷试剂为季磷 盐在碱作用下生成的麟叶立德,而前者则是由或活化了的碳负离子或氮 浙江大学理学硕士学位论文 负离子,可用下式表示 印 户 一 气 二烷 氧基,芳氧 基 二 二 二烷 氧 基 烷氧基,烷基或芳基 或 图 因而,在改进的反应中所用的磷试剂为嶙酸酷,次麟酸脂,氧化磷 以及磷酞 胺 。与经典的反应相比,除能准确地引入双键外,还有下面的优点比磷 叶立德具有更强的亲核性,因而更易在温和的条件下与更多的拨基化合物反应,并且对 水分 、 氧气不十分敏感由于反应中生成的次磷酸 、 磷酸 、 以及磷酸衍生物溶于水, 故易与主产物烯烃分离嶙叶立德需要用较贵的磷来制备,而磷酸脂则易从较便宜 的原料亚磷酸酷经一反应方便制得 。 一皿 一一一臼卜 图 在一般情况下,由磷试剂与拨基化合物反应在一般情况下生成反式异构体 。 但是 产物中的比例与经典的反应一样可随反应条件而改变,有的甚至生成单一的 一 式或 一 式产物 。 控制立体化学的因素主要是下列几方面溶剂效应反应 的可逆性碱强度的影响温度 。 无溶剂条件以及水相中和离子液体中的反应 在年一篇文献中又报道了用机械碾磨固相合成磷以及首次在无溶 剂的条件下发生的反应 。 文献指出,通过机械碾磨方法破坏了磷化合物的晶格 和无晶体形相的形成 。在不同的固相之间,通过微晶体的无机碱,发生了一个麟盐的去 质子化过程 。 而发生的反应后的结果也和传统的反应不同。本来如果是 稳定麟发生的反应,产物是式占优的。而固相碾磨的七馆 反应得到 的结果却是摩尔比例约等于,不过这却是一种全新的方法 。 水相中的反应 浙江大学理学硕士学位论文 在一般的情况下,有机化学反应都是在有机溶剂中进行的,很多有机化学的反应是怕 水的,一旦有水存在,反应就会失败 。但是后来人们发现,水对于有机化学反应,也是一个 很好的溶剂 。 水做为有机化学反应的溶剂有很多的优点。 其中反应也可 以在水 中进行 。 在年,“ 等人在发表了首次文献报道在 纯水相中进行的反应 。而后和 在上发表的 文章,用类似的方法在水相中用反应合成了 一。 之后又有报道 用上面同样的方法在水中通过反应合成了。年, 和又为水相中的反应作出了贡献,他制备 了几个水 溶性地嶙盐 。 值得关注的是等合成了另外一个全新的可溶的麟盐 。 对于水相中的反应,我们组也在做了相应的一些工作 。此外我们 还做了一 系列的在不同溶剂中的对比试验 。如 一 , 图 一 我们研究了在水相中,用澳代物,三苯基磷,醛,碱,混合在一起,一锅法合成烯 烃,这项工作已经得到很好的结果 。 日。尸,日 图 、离子液体中的反应 传统的化学反应和分离过程由于使用大量易挥发的有机溶剂,对环境造成严重污染 。 所以一提到化学,人们马上想到化学反应过程可能会产生有毒物质或某些污染物 。现在 人们可以免去这种担心,化学家正在研究一种新的溶剂 离子液体 ,从而从源头上 解决化学反应过程可能出现的上述问题 。 其中仁而 刁,就是一种十分常用的离子液 体 。它的结构如下 浙江大学理学硕士学位论文 、仑八 月 卜 司 图 等在上报道了,用离子液体为溶剂的反应 其反应 方程式如下 旧 二一一 一二一 二 丫二, 图 这个反应的反应条件是在 时,反应就以很好产率得到烯烃 。 他们用稳定 叶立德和芳香醛以及普通的脂肪醛反应也得到很好的产率 但是对于在醚中溶解度差的 烯烃产率就比较低 对于这个反应而言,有一个最大的优点,就是分离时比较方便,因为在 萃取时,三苯基氧磷在醚类中的溶解度很小 。 微波辅助的反应 微波用于合成化学 始于年护等用微波炉对酷化 、水解 、氧化和亲核 取代反应及等对葱与马来酸二甲酷的一环加成反应的研究 。 此 后在很多有机反应中也取得了很大的成功。 有机化合物大多数具有沸点低 、易挥发,易燃易爆的性质,在微波反应技术发展之 初,有机物的这些性质制约了微波场中的有机合成技术的发展 。年,美国科学家 利用家用微波炉进行了丙稀酸酷、丙稀酸和一甲基丙烯酸的乳液聚合, 与常规相比,微波条件下聚合速度有明显增加,但在当时没有引起人们太大的注意 。一 般认为,微波有机合成的研究始于年的一篇研究报告,大学化学教授 及其同事当时比较了在微波炉内与常规条件下进行的酷化 、水解 、氧化和亲核取 代反应的结果,发现在微波炉密封管内进行的高锰酸盐氧化甲苯为苯甲酸的反应比常规 浙江大学理学硕士学位论文 回流快倍,而 一 氰基酸盐与苯甲基的反应要快倍,这一发现对于几个世纪来惯用的 传统加热技术提出了挑战,给有机化学反应研究注入了新的思想,揭示了微波以其独特 方式在促进有机反应中所具有的潜在价值 。正是基于这种原因,微波加速有机反应引起 广泛注意 。 从年至今短短十几年时间,微波促进有机反应的研究己发展成为一门引 人注 目的全新领域一化学。 。 目前,微波有机合成化学的研究主要集中在如下三个方面 第一,微波有机合成反应技术的进一步完善和新技术的建立 第二,微波在有机合成反应中的应用及反应规律 第三,微波化学理论的系统研究 微波作用下的有机反应的速率较传统的加热方法快数倍甚至上千倍,且具有操作方 便,产率高及产品易纯化等特点,因此微波有机合成发展迅速已涉及到有机化学的方方 面面,成功地应用于多种有机反应,并展示了广泛的应用前景 。 由于微波具有对物质高效 、 均匀的加热作用,同时化学反应的速率与温度又有明显 的关系,因此人们自然联想到将微波应用于化学反应以提高反应速率,近年来,大量的 实验己证实微波可以极大地提高一些化学反应的速率,使一些在通常条件下不易进行的 反应迅速进行 。 在无溶剂的条件下,进行的微波辅助的广 反应 等人,研究了在没有溶剂的条件下微波辅助的反应 。 卜二 二二 一曰 乙 户 引 日匕 、,只 一 二, 二,曰 白 一 食 七巨 ,曰 浙江大学理学硕士学位论文 一笼 一 母一母 一 一 日 一 一 丹 飞 亿 倔伙一 二,亿 二尼 丹一 ,三 尼 二,二,一,任 亿 嘴 二二 曰,改巧 二,三,一尼 二,二 ,印仍 一 母 。一 一骨飞 ,日 合 扩 八阜 。一 单尸 ,日 ,尼 图 微波辅助稳定叶立德与环酮的选择性反应 日 我们组对于微波辅助的馆 反应做了很多的研究工作 。 声。一 。, 一。 耐 。 合 尸 一任 合合 图 七 内了八 口 浙江大学理学硕士学位论文 表单酮与的反应 我们发现了环状的酮与稳定叶立德在微波下照射时,会得到重排的产物 。详细见 一。 ,微波辅助的微反应器的流动的戒反应 四 等在发表了他们在微波辅助的微反应器的研 究反应 。他们的反应仪器如下 万 双夕 代分水 二 , , 。 对一 又 一 片, ,日 旦 , , 日白 沟 。 附 红 食幻 拼 泊岁派 咱 合户。 谙尝 忿创 创的 右 月川明 七 口洲教 自 白白。 犷犷 且 白 已 筋 妞 劝剔 心 图 浙江大学理学硕士学位论文 他们用上述的反应仪器做了一偶联反应,反应,反应 等 。 ,碱,醛进行的一锅法合成烯烃 反应产生的副产物三苯基氧磷,后处理时比较繁琐 。 因而。报道 了固相的、 碱 、 醛进行的一锅法合成烯烃 。 其中他把三苯基磷连接在树脂上,然后在 微波辅助下进行一锅法的反应,在 条件下,反应,就可以得到烯烃 。 奋一 二艾 。 。 、驾。 、 颐行幻 礴 食私 。一 。 了砂。一 一一 ,丫 图 此外这种一锅法的反应,也应用在合成黄酮类化合物 。 浙江大学理学硕士学位论文 吕, , 介 、 , , 艺 ,尺 二, 二,二, 二,尺 二, 二,二日, 二二 图 浙江大学理学硕士学位论文 第 二章分子 内的一反应 年,德国化学家和” 发现共扼双烯类化合物可以与含碳碳双键 或碳碳叁键的化合物相互作用,生成不饱和六元环状化合物,这类反应称为一 反应“,简称一 反应 。 尸 夕丫人了人冲 人 下尸尸介 、耳。一帐 图 此类反应的反应物可以分为两部分,一部分提供共辘双烯,称为二烯体另一部分 提供碳碳不饱和键,称为亲二烯体 。 产物是由二烯体与亲二烯体发生,一 加成得到的, 一 反应涉及到二烯体的电子体系和亲二烯体的二电子体系,它属于环加成 。 一 反应在合成六员环特别是在天然产物的全合成占有极其重要的地位 。 一 反应 具有用途广泛 、 选择性高、原子经济性高原子利用率为,产物的立体结构可预 测等有点 。正是由于一 反应的诸多优点,和二人在年获得 化学奖 。 一反应的机理 人们普遍认为一反应是一步完成的,反应时反应物彼此互相靠近,互相 作用,形成一个环状过渡态,然后逐渐转变为产物分子。 即旧键的断裂和新键的形成是 相互协调地在同一步骤中完成的,这类反应称为协同反应 。 在协同反应中,没有活泼中 间体如碳正离子 、碳负离子或自由基等产生 。 泛 “些一 协同过渡态 图 对于 一 反应的反应机理可以通过前线轨道理论来解释 。前线轨道理论认为,在反 应过程 中,起决定作用的轨道是其中一分子的最高占有轨道叩 ,缩写为,和另一分子的最低空轨道 浙江大学理学硕士学位论文 。,缩写为,这两个轨道叫前线轨道,当这两个轨道满足 以下三 个条件对称性匹配 、 能量相近 、 轨道最大重叠时,电子便从一个分子的流入到另 一个分子的,从而形成了新的分子轨道 。 一 反应无论从二烯体的和亲二烯体的,还是从二烯体的和亲二烯 体的来看,对称性都是允许的。 当亲二烯体和二烯体充分接近时,如果二者能量接 近,就能够顺利反应 。但是如果二烯体或者与亲二烯体的前线轨道 能量相差 比较大时,反应则不能顺利进行 。如果二烯体和亲二烯体有取代基团时,会对二者的反 应性产生很大的影响 。 一般而言,取代基团对前线轨道的影响有以下几个规律吸电子基团,降低 和的能量给电子基团,增高和的能量共扼链的增长,增高了 的能量,降低了的能量 。参与成键的前线轨道如下图 麒 一一 贾门 。盖亲 又。叉。 盖,八。盆 。五 , 。 兰 二烯体 图 一般而言,对于正常的 一 反应,参与成键的前线轨道是富电子的二烯体的 轨道和亲二烯体的缺电子的轨道,这时一般二烯体上连有给电子基团,亲二烯体上 连有吸电子基团但是也有二烯体的与亲二烯体上参与形成新的化学键,这 时二烯体上连有吸电子基团,而亲二烯体上连有给电子基团,这是非正常的一 反应 。 二烯体上连有给电子基团 一一一一一一亲双烯体有吸电子基团 一一一一一其中给电子基团在二烯体上,一 位空间位阻不大,有利 于反应位阻太大,不利于反应 。 如果二烯体和亲二烯体在同一个分子内,也可以发生 一 反应,称之分子内的 一 反应 。 分子内的一 反应,在有机合成中,占有重要的地位 。 因为通过分子内的一 反应,一步可以构建两个环,还可以形成四个新的立体化学中心,反应产物的构型可以 浙江大学理学硕士学位论文 预测等特点。,一 葵三烯和,一 壬三烯可以进行分子内的一 反应 。, 一 葵三烯发生分子内的一 反应时,可能通过几种不同的过渡态进行加成,加成的方式 如下图 、方 犷,玉尽 一 一 气蒜护郑 、 导 、一 一 鱼 丝 一 一巨 一,竺 乡 刀一口 宁 扣 阳 子双,日 犷 与 一厂户 即一 色 可艳岁卫 巡 组伽, 恢 由翻 一一一一一 勺 卜 欢 了, 飞才盆 纷 飞 阵 沪 一 图 二 产 卜、 。 、 勺动 翻户 夕、产、 卜 一认飞 石、石、 狠牙 尸 、心 、上太 ,胡,、 了声 口 目二 日 匕 产 女 备刀卜 尺 飞己尸 一 图 对于,一 葵三烯发生分子内的一反应时,若二烯体上的双键都是反式的, 一般而言,如果活化基团处于反式,对于加成,比较有利,得到的主要产物构型为 一如果活化基团处于顺式,加成在能量比较有利,得到的主要产物构 型为 七一。 当亲二烯体的活化基团在加成时朝向二烯体时,这样的加成方式称 之为加成,当亲二烯体的活化基团背向二烯体时,这样的加成称之为加成 。 同样,一 壬三烯发生分子内 一发应时,一般有以下几种不同的过渡态,加 成的方式如下图 一 禅 月 营 刊 一 钱 补 户一 了 。沙 嵘 口 一一, ,卜,曰。, 匕,匕 。, , ,一芦 一 仑 昌 、即 。 试丫岁“侣 之 了口一 图 浙江大学理学硕士学位论文 , 尺 食 二早写。笋 芥 洲命 卜,犷 洲 曰 共一火、产 ” 一长盛 刁,口 口 一 洛刁 叫 日 尸 浅从 七日 日 嵘曰 口 剧 ”任 一 七日 一 片 、 丈 于 、纷 自 阳 图 对于,一 壬三烯发生分子内的一反应是,若二烯体上的双键都是反式的, 一般而言,如果活化基团处于反式,加成,比较有利,得到的重要产物为一 如果活化基团处于顺式。加成在能量上比较有利,得到的主要产物式为一 。 分子内浪反应的立体化学 一反应的一个优点就是反应产物的立体化学可以预测,其中表现出来了 一些规律 。 形成两个六并环的分子内一反应的立体化学 其中,一 葵三烯发生分子内的一反应时,可以形成两个六员环的并环体 系,这样的结构在天然产物中十分常见 。 日毕 厂 汾 入、 塑 丛 过 广 丫勺 厂 丫勺 夕,、 、 几 、,、 、 几 、 、 了、,厂 图 在亲二烯体上没有活化基团时,反应温度比较高,而且产物中两个异构体的比例不 太好 。当亲二烯体末端存在活化基团时,反应温度降低了,这可能是吸电子的酷基降低 了的能量。但是,二烯体末端的吸电子基团不会影响到关环的立体选择性 。 浙江大学理学硕士学位论文 、化日卜卜渤日工丁土价幼 、止 兰 竺 坦广自 、己 匕 尹,、 尸丫 洲呸 介 厂、一 型 鹭 广 、自 产尸习丫 么因乡 乎 一勺 图 亲二烯体上的立体化学对关环的选择性几乎没有影响,这可能是在关环的过程中,反 式烯烃采取的是类椅式的一 加成的过渡态,而顺式的亲二烯体采取的也是椅式的过渡 态,采取一 加成方式关环 。 飞 少 夕 又一 叽 陀 斗 图 在动力学控制的过程中,次级轨道的相互作用对产物比例的影响几乎不重要在热 力学控制的过程中,次级轨道的相互作用展现出了规则在预测产物比例的的局限。 在双分子的一反应中,。 规则应用的比较好,但是随着温度的升高,。 规则就不 春适用了。 但是在路易 斯酸催化的 体系中,一 规则在预测产物的比 例时,还 是 可 行 的。奔 在二烯体的末端加上一个位阻比较大的烷基,在加热的条件下产物的比例没有明 显的变化,但是产率降低了,这可能是由于异丙基的影响,在环加成时位阻比较大 。但 是乙基氯化铝催化的条件下,的规则应用的比较好,选择性也比较好 。因为在路易 斯酸存在的条件下,在进行分子内的一发应时,。 加成的过渡态在能量上 比较有利 。 因而,对于反式的亲二烯体而言进行式的加成主要得到一 的产物, 浙江大学理学硕士学位论文 而对于顺式的亲二烯体而言,进行式的加成主要得到一 的产物 甲他叻 仁有彻 以 、土月儿 。人龙 外创盛夕冲 二 , ,涯认, 十卿 户,尸库 一户,带 己 , , 图 汗 一“ 钟 图 需要指出的是,在加热的情况下,在顺式的亲二烯体进行环加成时,两个异构体的 比例发生了微小的变化 。 这可能是在环加成的过渡态中,由于异丙基和酷基之间的 非化学键的作用,使得椅式的的加成过渡态的能量比较高,对产生一产物是不 利的。 假如活化基团不是处于亲二烯体的末端,而是处于亲二烯体的内侧,选择性与处于 末端的有很大的不同,。一些实验的结果如下 。 飞 灸久 、礼只 真、 贬 苏夕 叹 人尸 叹 人夕 二,礴, 二一 尸,碑, 图 浙江大学理学硕士学位论文 外些 二 价产、 火尹人。气 尸尸 人 群 一琳 图 奴望目 。 。分 且二 勺长笋丫 八 一 万工, 啥 一丫 凹一 , 图 当活化基团位于内侧的时,在进行环加成时,类船式的过渡态是比较有利 的。因为 量 。 的类船式的加成方式能够使得拨基与二烯体最大程度的接近, 当二烯体的末端存在较大的异丙基时,在进行环加成时, 一井, 从而降低过渡态的能 的类船式加成方式更 为有利,所以只生成一个单一的异构体。当在和位上有取代基团时,在进行。 的类船式加成时,取代基团处于直立键时,能量比较高,不利于环加成,因此只生成一 个异构体 。 仁 贤生 一 “ 。 井 产 汤澎 卫 诫 叹 一 ,一 功 、 图 当位上的存在手性中心时,在进行分子内的一时,拿到了两个异构体, 两者的比例是。其中由于位阻比较大的异丙基与二烯体上的存在的非化学键的 作用,二者互相排斥,当异丙基处于直立键上时,它与二烯体上的原子距离很近,因 浙江大学理学硕士学位论文 此这个过渡态的能量比较高,不是一个有利的过渡态 。主要得到的异构体 。另外一 个原因是,由于在酸性的条件下,的选择性可能源于次级轨道效应 。 如果把上述结构的一个碳原子换成氧原子,那么选择性将会发生很大的变化 。 在这 方面的工作中,有一些实验的结果,也有一些理论计算的结果 。例如 一和在这方面做了如下的研究,他们通过计算过渡态能 量,得出了两个异构体的比例 。 。 当其中的一个碳原子换成氮原子时“,反应的情况也有些不同,下面是一些例子 。 入锡岁、易 、 、 、 留 砂灸少一硕 丁 口 尸” 几 久 少 日 十 口 几 沂 二, 二, 二,二, 今 曰日从减少 勺 火 。 介厂 一厂 州,吓 卜八 丸 二, 二, 图 当为氢原子时,在形成异构体的过渡态中,氮原子上的氢原子和碳原子上的 氢原子有非化学键的作用,因此这个过渡态的能量的比较高,该反应的选择性就比较好 。 但是当为氧原子时,在过渡态中,氧原子可以与氮原子上的氢原子有氢键作用,降低 了过渡态的能量,因此主要生成的异构体 。 厂 扮 丫 嵘三。 。一 二一 一 竺上一 卜 哪 户,拼 、书 、 麟今 尸 丫 专内 日 、 分舒内 、 二肾 一了 , 二一 夕 弓 犀,喇 图 关于类似的分子内的一反应还很多,可以参考有关的综述文章。 形成一个五员和一个六员并环的分子内一反应的立体化学 在所有的情况下,一环化产物的立体化学是通过亲二烯体对二烯体的空 浙江大学理学硕士学位论文 间朝向决定的 。在进行 环加成的过程中,构象作用,立体效应,电子效应可 以影响到 产物中两个环的连接方式。上述的这些效应可以单独的影响产物 的立体 化学,也可以相互作用共同影响产物的立体化学 。 值得说明的是,分子内的不同的取代基 团在不同的位置可以影响产物的立体化学 。上的取代基团可以与上的取代基团有 非化学键的相互作用 在环加成。 的过渡态中,和上的取代基团可以有相互的重 叠效应 。 上述的这些特点在的构象中表现的不是特别明显,这样就增加了产物 的选择性 。 一般而言,立体效应比电子效应影响要大,因为形成双环产物的主要是的,特 别是在末端有活化基团的底物中,这种选择性不受亲二烯体上立体化学的影响 然而在这 些反应中,的。 规则不再适用了,其主要原因就是规则过度的强调次级 轨道效应,而忽略了分子的主要特点。 在一定的情况下,如果路易斯酸存在,反应的速 率和选择性都会提高 。 这主要是因为由于路易斯酸的存在,增加了亲二烯体的极化效应, 对于末端有活化基团的底物,这会降低原子的轨道的能量,对于反式的亲二烯 体而言,会显著地提高其立体选择性产生单一的的产物对于顺式的二烯体而言, 产率较低的得到两种异构体的混合物 。 对没有取代的,一 壬三烯而言,关环温度比较高,得到的选择性 。 其 中主要的产物是热力学所倾向的。在动力学方面也观察到了这个现象,分离到稳定的产 物然后把这个产物置于相同的关环条件下,得到主要的产物和次要产物的混合物 。 争 日公 尸、一八 ,分从日 币 、 色兰些二 妙 护灯 图 但是当亲二烯体的末端有吸电子基团时 魂,不管亲二烯体的立体化学如何,选择性, 都降低了,顺式亲二烯体和反式亲二烯体对产物的立体选择性相近 。 但是这些底物都表 现出了的选择性,当二烯体的末端有烷基取代时,选择性会有一些提高,因为 浙江大学理学硕士学位论文 入丫六了厄 工确 千日助 户叼夕勺 几 入气了心 、瓦川洲工滋 ”一匀 廿 丫太丁从日宁替 价 夕 三 。黔 , 一一袄加卜 厂卜飞 二 型 兰 级 “ 厂 、了 图 从加成的过渡态上我们可以看出,的过渡态是比较稳定的,因为活化基团和位阻较 大的烷基是处于反式的,这个过渡态的能量比较低,因而得到的主要产物是的异 构体 。 人 、劫 、 尹 二 厂 产 代 认尽 匕一 卿竺望尸沂 飞 ”一 飞慕 入了 、目 日二厂 夕三 , 一,一一加卜 图 当二烯体上的第二个双键是顺式时,加成方式只有一种,所以只产生一个异构体。 如图 一 、日 社 习 一 价 。甲矿尸百 一黔 匕 一代 划 护 口 咐一玻一 劳一 含 一汀交,。 、” 一 好图 由于二烯体上的双键的立体化学发生变化,所以在加成时,只有一种过渡态,因此 浙江大学理学硕士学位论文 这个样的底物具有很好的选择性,但是这方面的例子不是特别的多 。 价么 些 眨 八 夕 一 丫己 试袖 图 这种结构的底物反应的活性比较差,与上面的底物相比,需要较高的反应温度 。人 们利用二烯体结构的不同而导致的反应的活性的不同,来分离这两个不同结构的底物 。 因为反式的二烯体很容易发生分子内的一,而顺式的结构发生一则需要较 高的温度 。 当亲二烯体上的活化基团换成硝基时 “,反应活性得到很大的提高,在选择性上上 也有很大的不同。由于硝基比酷基的吸电子的能力更强,所以反应温度降低了很多,反 式亲二烯体的选择性很好,而顺式的选择性不好,原因可能是顺式的反应活性 比较高, 以至于在室温下就可以反应,因此选择性就降低了很多 。 厂 、 爪型 望 些尹,孰产早 人 舔 尸 肋 弋 低 厂命 丫 , 、匕 扮 苍 图 当二烯体的烯丙基位有取代基团时,其中。 但是由于增加了一个取代基团,产生了四个异构体 。 的选择性有了很大的提高, 尽尸 日 ,卜 州 代,澎 卢汾 人 一 尸 一 一夕 一尸蕊 酥 户软 之 “ 孙仁 甲从尹 一、 、 己 汤 户 戈 才 日声鱿“ 上十、 谕时 厂一 产 丁 丫 灿 曰旧 图 浙江大学理学硕士学位论文 若其中的一个碳原子被氧原子取代时,只存在一个活化基团时,有很多实验和理论 计算的结果。下面的是一些例子 。 二 澄 有户 , 二,粼 尸学讨 丫 水日 图 尽梦 厂丫、 岌止 竺 竺 今 己 工 工少 一 。一 飞一 自 乞 一,日, 日 日尸一 乃肠 旧一一,。 匕 廿 , 图 浙江大学理学硕士学位论文 舒泌 、 健 冲沪犷加 经 一中 、 、助勺 知 产 、飞少,夕 、扮入 入 太一上 尸个 一 。六 飞 一 殊, 一 , 图 拼呈 、 日 乒, 护耳代 土走 飞 二 日, 广附叹 二 日,二,。 二 日,二 日 户, 图 上述介绍的都是具有一个活化基团的,当存在两个活化基团时,由于两个吸电子基 团更能降低亲二烯体的前线轨道的能量 ”,因此反应温度,比只有一个活化基团时降低 了很多,选择性也有一些变化 。 、 、 。十士 日、 日斗士 日仃介甲内夕 二 ,、了叭 乡,卜日沁日 丫上日 ,、心夕 几夕、 三 , 一 一一一 知卜 入 、 、叭 怕百 图 浙江大学理学硕士学位论文 在反式烯烃中,由于甲基和酮的共同作用,导致了在和加成的过程中,两 种过渡态的能量相差不大,因此反式烯烃的选择性就比较差 。 但是在顺式烯烃中,由于 在。 过渡态的过程中,甲基和二烯体上的氢的距离比较近,它们之间存在着非化学键 的作用,是的过渡态的能量升高,而在过渡态的加成中,甲基和氢的距离比较远, 二者的作用也就比较小,因此生成的主要是的异构体 。 对在,一 壬三烯的骨架中存在杂原子的底物,研究的也比较多。 骨架中的一个 原子被氮原子取代时 。,反应的选择性也有很大的不同。 下面是一些例子 。 , 气日 才 呷 价门 一 塑卫 些 垄 币 冲丫日 一双一 户尸 丫 鹦 必 券 图, 当氮原子连接二烯体时,由于氮原子上有孤对电子,其中孤对电子可以和二烯体 发生共扼作用,提高了二烯体的轨道的能量,所以反应温度降低了。 当没有活化基 团时,反应也可以顺利的进行,而且主要得到的异构体 。 厂 一 飞 曰日,尸 宁入 不 不一土上 尸一 “产月厂 二弋少一 图 当存在两个吸电子基团时,反应温度就会降低很多,在 时就可以反应,而且得 到单一的产物 。 厂 飞 一声 扮 人 一尸、一入一 “。户习 尹 一仪了 渗 书饭 件少一留 图 浙江大学理学硕士学位论文 当二烯体上有取代基团时,反应性和选择性有些不同。 、 子 补入即卢,详 八 止上,一、火 止一 户 萨丁六 飞尸 片丁 合 飞 ,二, 二 尸,丫二, 二 日,丫二 日, ,丫二, 图 当化合物中存在两个吸电子基团时,反应温度比较低,在 的情况下就能够进行, 当存在一个吸电子基团时,反应温度就要提高到了 当没有吸电子基团时,反应温度 提高了,这时选择性也颠倒了,这是因为当为氢原子时,在加成的过渡态中,氢原子与二 烯体上的氢原子存在非化学键的作