（有机化学专业论文）嘧啶衍生物与44’二取代二苯酮paternobüchi反应的区域选择性.pdf

摘要 摘要 p a t e m 6 b n e h i ( p b ) 反应，即羰基烯的【2 十2 】光环化加成反应，利用其特殊的 区域及立体选择性可以合成一些结构精巧的取代氧杂环丁烷。近年来，出于机 理研究和探索合成应用的目的，人们对p b 反应的区域、立体选择性给予了极 大关注。然而，相对于大量立体选择性的报道，区域选择性还未见系统的报道。 目前人们对p b 反应的区域选择性的作用机理的解释主要有三方面：最稳 定的双自由基规则、s a l e m r o w l a n d 规则、两性离子中间体机理。当p b 反应 生成两种稳定性相近的双自由基中间体时就可能得到两种区域产物，这样三重 态1 ，4 双自由基中间体的稳定性对区域选择性就不再起决定作用，从而使其它 影响因素的作用( 如底物浓度、激发态的性质、溶剂的极性和粘度、温度和取代 基等等) 显现出来。目前人们对区域选择性的报道大都集中于非环状的烯烃衍生 物和不对称取代呋喃衍生物的p b 反应的区域选择性。 嘧啶作为一种特殊共轭结构的分子，它同时含有饵伊不饱和酮和烯胺两种 官能团，在和二苯酮发生p b 反应时生成两种稳定性相当的三重态l ，4 - 双自由 基，经系间窜跃后进一步关环形成两种区域异构的氧杂环丁烷：h e a d - t o h e a d 伪妨型和h e a d - t o t a i l ( h o 型。本工作通过改变羰基或烯组分的取代基，对嘧啶衍 生物与二苯酮及其衍生物( b p s ) 的p b 反应的区域选择性进行了深入研究。 1 研究了1 ，3 二甲基胸腺嘧啶( d m t ) 与二苯酮及其衍生物( b p s ) 发生p b 反应 的重原子效应。 l ，3 二甲基胸腺嘧啶( d m t ) 1 ，3 二甲基尿嘧啶( d m u ) 与取代二苯酮( b p s ) 的p - b 反应表现出显著的取代基效应：有吸电子基团( e w g s ) 的b p s 的p - b 反应 效率高，生成的胁型氧杂环丁烷的比例较高；有供电子基i 爱i ( e d g s ) 的b p s 却与 之相反。而当羰基化合物上存在重原子( b 0 时，发生p b 反应时反应效率显著 降低。以1 ，3 二甲基胸腺嘧啶与取代二苯酮的p - b 反应为例，阐明了重原子效 应的影响：使反应效率显著降低，区域选择性略有升高，并且使体系的等转化 温度升高。通过比较三重态1 , 4 双自由基中间体的构象转换与系间窜跃的相对 速率合理地解释了重原子效应的影响。 2 研究了5 4 6 取代的尿嘧啶与取代二苯酮发生p - b 反应区域选择性的取代基 效应。 系统研究了尿嘧啶衍生物与取代二苯酮的p b 反应，发现反应效率和反应 的区域选择性不仅与二苯酮上的取代基有关，而且与嘧啶环上c = c 的甲基取代 基有关。c = c 双键上的取代基越多，反应效率越高。对于四个尿嘧啶的p b 反 摘要 应的区域选择性( 办彤蝴：1 , 3 ，6 三甲基尿嘧啶最高，1 ，3 二甲基尿嘧啶次之，l ，3 - 二甲基胸腺嘧啶第三，1 ，3 ，6 三甲基胸腺嘧啶最低。这种取代基效应是由嘧啶环 上c 5 、c 6 上的甲基取代基的超共轭效应和c 5 c 6 双键上的亲核性共同决定的。 理论计算表明生成触氧杂环丁烷的双自由基中间体( d r s ) 的势能比生成胁氧杂 环丁烷的双自由基中间体( d r 6 ) 高1 - 4 k c a l m o l ，而c 5 的电子云密度比c 6 高 0 3 0 7 个电荷单位，即d r 6 比d r 5 稳定，d r 5 比d r 6 更容易生成。因此，我 们可以分别将d t l 5 和d r 6 看作是动力学控制和热力学控制的中间体。尿嘧啶 衍生物与二苯酮衍生物反应低温下砌氧杂环丁烷的反应效率较高、而在高温下 胁氧杂环丁烷的反应效率较高的温度效应进一步支持了这种观点。 关键词p a t e m b - b l i c h i 反应区域选择性反应效率三重态l ，4 双自由基取 代基效应重原子效应反应活性 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a t e m 6 - b t i c h i ( p - b ) r e a c t i o n ，w h i c hi sap h o t o c h e m i c a l 【2 + 2 】 c y c l o a d d i t i o no fc a r b o n y lc o m p o u n d sw i t ha l k e n e s ，i su s e dt oc o n s t r u c ts o m e s u b s t i t u t e do x e t a n e sb yt a k i n ga d v a n t a g eo fi t ss p e c i a ls t e r e o - a n dr e g i o s e l e c t i v i t y f r o mt h es y n t h e t i ca n dm e c h a n i s t i cp o i n t so fv i e w , t h er e g i o a n ds t e r e o s e l e c t i v i t y h a v ea t t a c h e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s i nc o n t r a s tt oe x t e n s i v es t u d i e s o nt h es t e r e o s e l e c t i v i t y ，h o w e v e r , s y s t e m a t i cr e p o r t so nt h er e g i o s e l e c t i v i t ya r es c a r e a tp r e s e n t ，t h em o s ts t a b l ed i r a d i c a lr u l e ，s p i nc h e m i s t r y , a n dt h e1 , 4 - z w i t t e r i o n a r eu s e dt oe x p l a i nt h er e g i o s e l e c t i v i t yo ft h ep - br e a c t i o n t w or e g i o i s o m e r sc o u l d b ep r o d u c e dw h e nt h et w od i r a d i c a l sp o s s e s ss i m i l a rs t a b i l i t y , s ot h er e g i o s e l e c t i v i t y h a sl i t t l er e l a t i o nt ot h es t a b i l i t yo ft h et r i p l e td i r a d i c a li n t e r m e d i a t e ，a n do t h e rf a c t o r s ， s u c ha sc o n c e n t r a t i o n ，t h ee x c i t e ds t a t eo fc a r b o n y l s ( s i n g i e t - v st r i p l e t - e x c i t e ds t a t e ) ， t h ep o l a r i t ya n dv i s c o s i t yo fs o l v e n lt e m p e r a t u r ea n ds u b s t i t u e n t ，b e c o m es i g n i f i c a n t i nd e t e r m i n i n gt h er e g i o s e l e c t i v i t yi nt h ep - br e a c t i o n r e p o r t so nr e g i o s e l e c t i v i t y a r ef o c u s e do na n c y c l i co l e f i nd e r i v a t i v e sa n da s y m m e t r i cs u b s t i t u t e df u r a n d e r i v a t i v e sr e c e n t l y a sas p e c i a lc o n j u g a t i v em o l e c u l e ，b o t h p u n s a t u r a t e dk e t o n ea n de n a m i n ea r e i n c l u d e di nap y r i r n i d i n e ，i tc a np r o d u c et w os i m i l a r i l ys t a b l et r i p l e t1 , 4 - b i r a d i c a l s w h e nr e a c t e d 诚t hb e n z o p h e n o n e s ，w h i c hu n d e r g oi s cp r o c e s st os i n g i e ts t a t e sa n d t h e nc l o s er i n gt op r o d u c et w oi s o m e r i co x e t a n e ，h e a d - t o - h e a d ( 办办) o x e t a n ea n d h e a d - t o t a i lo f ) o x e t a n e i nt h i sw o r k , b yc h a n g i n gt h es u b s t i t u e n to ft h ec a r b o n y l a n do l e f mc o m p o u n d s ，w ei n v e s t i g a t e dt h er e g i o s e l e c t i v i t yi nt h ep - br e a c t i o no f u r a c i ld e r i v a t i v e sw i t h4 ，4 - d i s u b s t i t u t e db e n z o p h o n e s ( b p s ) 1 h e a v ya t o me f f e c ti nt h ep - br e a c t i o no f1 , 3 - d i m e t h y l t h y m i n e ( d m t ) w i t h 4 , 4 - d i s u b s t i t u t e db e n z o p h o n e s ( b p s ) t h ep - br e a t i o n so f1 , 3 - d i m e t h y l t h y m i n e 1 ，3 - d i m e t h y l u r a c i l ( d m t d m u ) w i t h b p sr e v e a ln o t a b l es u b s t i t u e n te f f e c to nt h e i rr e g i o s e l e c t i v i t ya n dp h o t o c h e m i c a l e f f i c i e n c y , t h a ti s ，t h eb p s 、i t l le l e c t r o n - w i t h d r a w i n gg r o u p s ( e w g s ) g i v i n gm o r e e f f i c i e n tp - br e a c t i o n sw i 也h i g h e rp r o p o r t i o n so fh t - o x e t a n e sa n dl e s se f f i c i e n tp - b r e a c t i o n sw i t hh i g h e rp r o p o r t i o no fh h - o x e t a n e sf o rb p sw i t he l e c t r o n - d o n a t i n g g r o u p s ( e d g s ) h o w e v e r ，w h e nh e a v ya t o m ( s ) ( s u c ha sb o e x i s t e di nc a r b o n y l s ，t h e e f f i c i e n c yo ft h ep - br e a c t i o n d e c r e a s e dr e m a r k a b l y b yi n v e s t i g a t i n gt h ep b i i i a b s t r a c t r e a c t i o no f1 , 3 - d i m e t h y l t h y m i n ew i t hb p s ，w ec o n c l u d e dt h a t ，t h eh e a v ya t o me f f e c t d e c r e a s e dt h ep h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c yl a r g e l y , i n c r e a s e dt h er e g i o s e l e c t i v i t y s l i g h t l ya n dt h ei n v e r s i o nt e m p e r a t u r eo b v i o u s l y b yc o m p a r i n gt h er e l a t i v e r a t e c o n s t a n to fd i f f e r e n tc o n f o r m a t i o n a lt r a n s f o m 、) l ，i t ht h a to fi s c ，w ee x p l m n e d r e a s o n a b l yt h eh e a v ya t o me f f e c t 2 s u b s t i m e n te f f e c t so nt h er e g i o s e l e c t i v i t yo ft h ep - br e a c t i o no f5 - o r a n d 6 - m e t h y ls u b s t i t e du r a c i l sw i t h4 ，4 - d i s u b s t i t e db e n z o p h o n e s ( b p s ) w es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h ep - br e a c t i o n so f5 - o r a n d6 - m e t h y ls u b s t i t e d u r a c i l sw i t hb p s ，a n df o u n dt h a tt h ep h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c ya n dr e g i o s e l e c t i v i t yn o t o n l yr e l a t e t os u b s t i t u e n t so fc a r b o n y l s ，b u ta l s o s t r o n g l yd e p e n d e n do nm e t h y l s u b s t i t u e n t ( s ) a tc 5 一c 6d o u b l eb o n d m o r em e t h y lg r o u p sa tt h ec 5 - c 6d o u b l eb o n d ， t h ee f f i c i e n c yi sh i g h e r t h er e g i o s e l e c t i v i t y ( h h h t ) i nt h ep - br e a c t i o ni st h eh i g h e s t f o r1 , 3 ，6 一t r i m e t h y l u r a c i la m o n gf o u ru r a c i l s ，t h es e c o n df o r1 , 3 - d i m e t h y l u r a c i l ，t h e t h i r df o r1 ，3 - d i m e t h y l t h y m i n e ，a n dt h el o w e s tf o r1 , 3 ，6 一t r i m e t h y l t h y m i n e t h e s u b s t i t u e n te f f e c t sw o u l dd e r i v ef r o mt h eh y p e r c o n j u g a t i o no ft h em e t h y lg r o u p ( s ) a t c 5o r a n dc 6o ft h eu r a c i l s ，w h i c hi n f l u e n c e st h es t a b i l i t y0 fi m e r r n e d i a r yt r i l e t 1 , 4 一d i r a d i c a l sa n dt h en e c l e o p h i l i c i t yo fc 5 一c 6d o u b l eb o n d c o m p u t a t i o n a ls t u d i e s r e v e a lt h a tp o t e n t i a le n e r g i e so ft r i p l e td i r a d i c a l sl e a d i n gt oh h o x e t a n e ，d r 5 ，i s1 - 4 k c a lm o v lh i g h e rt h a nt h o s ef o r m i n gh t - o x e t a n e s ，d r 6 ，a n de l e c t r o nd e n s i t i e sa tc 5i s 0 3 - 0 7u n i th i g h e rt h a nt h a ta tc 6 ，o ft h ed o u b l eb o n do ft h eu r a c i l s ，i e d r 5i sl e s s s t a b l et h a nd r 6 ，a n dd r 5f o r m sm o r ee a s i l yt h a nd r 6 t h e r e f o r e ，t r i p l e td i m d i c a l s d r 5a n dd r 6c a nb er e g a r d e da si n t e r m e d i a t e so fk i n e t i cc o n t r o la n dt h e r m o d y n a m i c c o n t r o l ，r e s p e c t i v e l y t e m p e r a t u r ee f f e c t so nt h er e g i o s e l e c t i v i t yi nt h ep - br e a c t i o n o fu r a c i ld e r i v a t i v e s 谢n lb p s ，w h i c hi s ，u n d e ral o w e rr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t h e e f f i c i e n c yo fh h o x e t a n e si sh i g h e r , a n dt h ee f f i c i e n c yo fh t - o x e t a n e si sh i g h e ru n d e ra h i g h e rt e m p e r a t u r e ，p r o v i d eaf u r t h e rs u p p o r t k e yw o r d s p a t e m 6 - b l l c h ir e a c t i o n r e g i o s e l e c t i v i t y p h o t o c h e m i c a le f f i c i e n c y t r i p l e t1 , 4 - d i r a d i c a l s u b s t i t u e n te f f e c t h e a v ya t o me f f e c tr e a c t i v i t y i v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，i p 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：孔蜂蜂 c ) 客年月二日 第1 章绪论 1 1p a t e m b - b i i c h i 反应 第1 章绪论 自从1 9 0 9 年，p a t e r n 6 和c h i e f f i 在酮和烯烃的光化学反应中意外得到了氧 杂环丁烷后【1 1 ，p a t e m 5 b u c h i ( p b ) t u l 膻j i 起了越来越多的化学家的研究兴趣。 p - b 反应即羰基化合物与烯烃的【2 + 2 】光环化加成反应，该反应自从5 0 年代初建 立以来，已成为构建氧杂环丁烷的一种重要的合成方法。它可用来合成一些热 化学或其它方法难以得到的取代氧杂环丁烷，然后利用氧杂环丁烷在不同反应 条件下的不同反应，可以合成一些结构精巧的化合物【3 啦】。同时p - b 反应也是 研究双分子光反应选择性的一个很好的模型。 多一1 c ，支 闷上d 寺3 静1 皿 r 5 r 3 2r e g i o i s o m e r s 4d i a s c r c o i s o m c r s s c h e m ei ig e n e r a lp r o c e s so fp a t e r n 6 b n c l l ir e a c t i o n 目前被普遍接受的p - b 反应历程为：首先羰基化合物吸收光子被激发到单 重态( 1 a ) ，单重态( 1 a ) 可以直接与烯组分反应，也可以经历系间窜跃形成激发 三重态( 3 a ) ，然后再与烯组分反应，生成三重态的1 , 4 双自由基 3 x l ，再经历 系间窜跃到单重态的1 , 4 双自由基，关环生成氧杂环丁烷或发生p 断裂回到基态 的反应物( s c h e m e1 1 ) 。其中3 a 幸可以通过猝灭去活化，这样就可以研究三重态 的化学行为。在单重态反应途径中，1 a 进攻烯组分产生的单重态双自由基中间 体的寿命非常短，自由基一自由基重合的优势几何学控制反应的区域选择性；而 三重态反应途径中产生三重态的1 ，n 双自由基，区域选择性与这种双自由基中 间体的稳定性有关。 醇 醇x 第1 章绪论 人。一h v 叉i i t l 专思玉咫。 3 d l d s c h e m e1 zp e t e r s m e c h a n i s mo f p a t e m b - b 0 c h ir e a c t i o n p e t e r s 等【1 3 1 4 】运用现代光谱学手段对二苯酮与1 4 二氧环己烯反应的中间 体进行捕获和分析，除了1 ，4 - 双自由基的瞬态吸收光谱队懈= 5 3 5 n m ， z - = 1 7 5 士2 5 p s ) 之外，在c h 3 c n 溶液中辐照还发现了一个新的瞬态吸收光谱( k = 6 9 0 n m ) ，这与二苯酮自由基负离子的吸收光谱，因此推测可能是1 , 4 双自由基 异裂形成二苯酮自由基负离子和烯烃自由基正离子。为了检验除了双自由基形 成以外是否还可能其它形成络合物，作者又研究了4 甲氧基二苯酮的光解，光 照后产生另一个瞬态吸收光谱( 九m 舣= 5 2 0 n m ，z = 2 5 0 n s ) 。因为4 甲氧基二苯酮和 二苯酮的有着相似的电子转移速率，因此提出了在极性溶剂中的p b 反应还可 能经过一个极性过渡态，进一步拓展了p b 反应机理( s c h e m e1 2 ) ：即羰基激发 态的氧进攻烯烃双键在形成双自由基前，由于电荷转移形成一个紧密离子对 ( c p ) 。紧密离子对迅速转化为三重态双自由基( 3 d ) ( i 【2 k 1 ) 。双自由基可能通 过异裂形成溶剂分离的离子对( s s m ) ，也可能通过系间窜跃形成单重态的双自 由基( 1 d ) ，然后通过9 一建断裂重新分解为原料或自由基关环形成氧杂环丁烷。 当烯组分上的电子云密度非常大时( 如四苯乙烯或炔) ，它就容易提供电子给缺 电子的羰基激发态( 醌的衍生物) ，发生电荷转移形成自由基离子对，进而关环 形成氧杂环丁烷【1 只1 6 1 。 p b 反应有着广泛的羰基烯反应体系【1 7 1 。对于烯组分，除简单烯烃外，还 有甜位被杂原子取代的衍生物，如：烯醚、环状的乙烯基碳酸酯、氧杂环烯及 其衍生物( 如2 ，3 - 二氢呋喃或吡喃体系) 、硅烯醚、硫烯醚、烯胺以及其它的一些 杂环化合物及其衍生物；炔类化合物也可以作为有效的烯组分与羰基化合物发 生p b 反应生成氧杂环丁烯，可以经开环形成烯酮，也可以进一步与另一分子 羰基化合物反应。对于羰基组分，可以为脂肪族或芳香族的醛或酮，也可以是 芳香羧酸酯。另外苯腈与烯烃也可以发生p b 反应。 当一个分子中同时含有羰基和烯组分时【1 8 1 9 】或者能通过反应生成有利于 p b 反应的羰基和烯组分 2 0 2 1 】时，可以发生分子内的p b 反应。熵变应该使分 2 一中 n 尺四j 刖5 |恢了劁5 | 土 第1 章绪论 子内的p b 反应比分子间的反应更容易，但是n o r r i s ht y p ei i 光化学反应可能 与分子内的p b 反应竞争。在发生p b 反应的同时，还可能伴随着电子转移、 能量转移、抽氢反应等副反应。 长期以来，出于机理研究和探索合成应用的目的，人们对p a t e m 6 b i l c h i 反 应的立体选择性和区域选择性给予了极大关注，特别是近年来出现了对立体选 择性的大量研究报道。在反应物结构方面，p b 反应的立体选择性包括由不对 称羰基组分引起的简单的立体选择性阪2 3 】和由羰基或烯烃的手性中心诱导产生 的“诱导非对映选择性” 2 4 - 2 6 。非环状的手性烯丙醇和羰基化合物发生p b 反 应时能达到很高的非对映选择性，这是由于在烯丙醇和三重态的二苯酮之间形 成的氢键对非对映选择性起定向作用。手性烯丙醚发生的p b 反应的立体选择 性则由l ，3 烯丙基的张力所控制。而在环状烯丙醇体系( 如2 呋喃甲醇) ，则不能 简单地用羟基定向作用解释其立体选择性，可以通过三重态中间体的稳定性解 释阳。d ，a u r i a 瞄刁o 】小组最近又报道了呋喃衍生物与一系列取代酮发生p b 反 应时都存在很高的非对映选择性，并通过三重态双自由基的稳定性解释了这种 高的立体选择性。 近期，人们主要研究温度、浓度、溶剂( 极性、粘度) 、羰基激发态的性质 等因素对立体选择性的影响【3 1 - 3 3 1 。b u s c h m a n n 等 3 4 - 3 7 系统研究了手性诱导的立 体选择性，建立了非对映选择性与反应温度的“等转化原理”【3 3 】。a b e 【3 9 】等研 究了2 ，3 二氢呋喃3 醇与二苯酮的p b 反应，发现主要形成t r a n s 型的氧杂环丁 烷，并存在显著的温度效应。a d a m 4 0 , 4 1 】报道了烯烃的几何构型对p b 反应的立 体选择性的影响及其温度效应。目前人们主要通过三重态双自由基的稳定性、 s a l e m - r o w l a n d 规则、三重态1 ，4 双自由基的构象、g r i e s b e c k 模型【4 2 】等解释反 应的立体选择性。 1 2 p a t e m 6 b t l c h i 反应的区域选择性的作用机理 相对于大量立体选择性的报道，对p b 反应区域选择性的研究远没有那么 深入。究其原因，p b 反应发现之初，b i l c h i 在解释区域选择性时就提出了“稳 定的双自由基机理 ，即在反应过程中，较稳定的1 ，4 双自由基中间体生成相 应的优势区域异构产物。绝大多数p b 反应体系往往仅能得到一种或一种占绝 对优势的区域产物，而能够同时获得两种区域异构产物的体系很少，这是p b 反映的区域选择性少有系统研究报道的原因。 第l 章绪论 1 2 1 最稳定的双自由基规则 a r n o l d 4 3 1 最早提出在形成氧杂环丁烷之前，可能通过键的旋转而形成“最稳 定的双自由基”。h a y 嬲l l i m l 最早通过纳秒级的激光光解技术检测到了这种l ，4 双自由基中间体。发现之初的大多数p b 反应体系往往仅能得到一种或一种占 绝对优势的区域产物，这是由于在反应过程中形成一种稳定的双自由基中间体， 这种最稳定的双自由基中间体形成的产物就是优势产物。 d a u f i a 小组1 4 5 , 侧研究了呋喃衍生物的p b 反应，通过计算h o m o 的原子 系数解释其区域选择性( 进攻呋喃环上的a - c 还是伊c ) ；发现取代呋喃的区域选 择性还可以由形成的双自由基中间体的稳定性解释，稳定的中间体形成优势产 物。例如2 ，3 二氢呋喃和呋喃分别与苯甲醛发生p - b 反应时的区域选择性正好 相反。当苯甲醛与2 ，3 - 二氢呋喃反应时口砌- 3 | 烷氧基氧杂环丁烷( 1 ) 为主要产物； 但是，当苯甲醛与呋喃反应时形成e x o 2 烷氧基氧杂环丁烷( 2 ) ( s c h e m e1 3 ) 。这 种区域选择性在其它芳杂环如嗯唑中也存在。究其原因：一方面，羰基激发态 的氧原子有亲电的自由基性质，因此氧原子的半充满的n 轨道更倾向于进攻烯 烃上电子云密度较高的位置。因此通过环烯烃的h o m o 的系数可以很容易推测 出氧原子应该进攻二氢呋喃的3 位和呋喃的2 位分别形成三重态双自由基中间 体d r - 1 和d r - 2 。另一方面，d r - 2 双自由基比氧原子进攻呋喃的3 位形成的 双自由基稳定，这是因为在d r - 2 中的呋喃环上形成稳定的烯丙自由基体系。 因此在呋喃及其衍生物的反应中形成唯一的e x o 2 烷氧基氧杂环丁烷( 2 ) 。 4 o 少h 盹f 0 芝 d r - 2 h i s e - - h e x o - 2 s c h e m e1 3 r e g i o s e l e c t i v i t yo f t h ep a t e m b - b o c h ir e a c t i o n o f 2 。3 - d i h y d r o f u r a no rf u r a nw i t hb e n z a l d e h y d e a 第1 章绪论 过去，人们大多按照“最稳定的双自由基规则”来讨论p b 反应的区域选择 性，这一规则在多数体系是简单有效的。但是“最稳定的双自由基规则”忽略 了电子激发态羰基与烯组分在反应过程中相互接近的几何学。事实上，以不同 接近方式生成的双自由基在势能上存在差异，很多体系已经无法用稳定的双自 由基机理解释心4 7 , 4 8 。近几年，人们开始对一些体系的区域选择性提出新的解 释。 1 2 2s a l e m r o w l a n d 规则 在有机光化学反应中常涉及自旋多重态，总反应的反应活性和选择性与自 旋态有关，人们称之为自旋化学 4 s , 4 9 。其主要特点就是自旋守恒原则，即只有 当反应物与产物的自旋态相同时才能发生化学反应，当反应物转变成产物需要 自旋态发生改变时是自旋禁阻的。但实际发生的光化学反应并不严格遵守这个 规则，而且有时在反应中只有发生自旋态的改变才能形成产物，此时反应的速 率与选择性完全由分子的自旋态的改变决定，这也被称为双态反应( t s r ) 【5 0 】。 分子中电子的轨道运动会产生磁场与磁矩，电子轨道运动产生的磁矩又会 对电子自旋相位产生影响，这就是旋轨耦合【5 1 1 。也就是说，旋轨耦合作用可以 再某种程度上改变电子的自旋相位，即纯的三重态和单重态波函数会发生某种 程度的重合。从三重态双自由基转化为闭壳层产物需要发生系间窜跃( i s c ) ，正 是由于旋轨耦合作用使原本自旋禁阻的过程成为可能，因此i s c 的速率主要由 旋轨耦合( s o c ) 控制。与其它相互作用如电子核超精细耦合( h f c ) 和自旋晶格 弛豫( s l r ) 相比，s o c 强烈地依赖于三重态双自由基的几何构型，这就是 s a l e m - r o w l a n d 规则1 5 2 】，其要点是：( 1 ) 增加两自旋原子之间的距离s o c 降低。 由于额外的键传递的相互作用，使得s o c 不仅与两自由基中心的实际距离有 关，而且与经过的键的数目( n 一1 ) 有关；( 2 ) 角度守恒要求自由基中心的p 轨道 的轴线相互垂直；( 3 ) s o c 与相应的双自由基的离子性质成比例。 总结上述三条规则，三重态1 p 双自由基的寿命有明显的构象与结构依赖 性。反映这一规则的数学表达式是，s o c ；b 似) i s is i n e , 【5 3 ，5 4 1 。式中变量反映双 自由基的几何形状：b 俾) 为双自由基中心之间的距离的函数，慢p 轨道之间的 夹角，i s l 表示轨道的重叠积分。s o c 决定双自由基i s c 的速率，即强的s o c 会增大i s c 的速率并降低双自由基的寿命。 m i c h l 和a d a m 等【5 ”聊研究发现双自由基中间体的寿命主要是由两个轨道 的空间取向决定的。对于能够发生灵活转动的三重态1 ，4 双自由基可能存在许 多利于i s c 的构象，在这种三重态双自由基的构象平衡体系中，有反应活性的 构象不一定是能量最低的，但一定是利于i s c 的构象。当键旋转速率比i s c 速 第1 章绪论 率快时，三重态双自由基的构象之间迅速达到平衡，然后再经过i s c 发生反应。 这些理论成果已被成功地运用于分析某些p b 反应的立体、区域选择性。 1 2 3 两性离子中间体机理 g a l d w e l l l 5 9 1 通过研究氘代和未氘代的c i s l t r a n s - 2 丁烯和二苯酮反应时的同 位素效应，提出了在反应过程中可能存在一个初始的电荷转移过程，形成一个 络合物中间体，t u r r o l 6 0 和p e t e r s l l 4 】等人的研究进一步支持了这种电荷转移络合 物的存在，后来m a t t a y l 6 1 】提出了络合物中间体的反应机理( s c h e m e1 4 ) 。这种络 合物中间体可以形成非极性过渡态( 1 4 双自由基) 或极性过渡态( 1 ，4 两性离子 中间体) ，这一机理对预测光化学反应的区域选择性有着重要的作用。 将非极性溶剂中发生的p b 反应改变到极性溶剂中进行，可以改变反应的 立体和区域选择性，这是由于在极性溶剂中可以降低r e h m - w e l l e r 方程中的库 仑项，有利于发生光诱导的电子转移p e t ，反应生成的络合物中间体由1 , 4 双 自由基向1 ，4 两性离子转变，避免了i s c 对几何构型的限制，从而改变反应的 区域选择性。例如2 ，3 二氢呋喃与三重态的芳香醛在非极性溶剂中反应主要形 成3 烷氧基氧杂环丁烷3 ，而在乙睛中反应可以检测到2 烷氧基氧杂环丁烷4 ( s c h e m e1 5 ) p 引。产物的相对量与溶剂的极性常数有关( 在苯中，3 ：4 9 8 ：2 ：在 乙睛中，3 ：4 = 8 8 ：1 2 ) ，说明在乙睛溶剂中是p e t 机理，在反应过程中生成了1 。4 - 两性离子中间体。 + + 奠：一伽一 岁j芝，一0exciplex 【】 一l 、f 一i 。 x 咚孵盯x 辞 6 蚓r 3 三 r t 、 r r 3 2 c y c l o 越l d i t i o np r o d u c t s s c h e m e1 4 e x i p l e xm e c h a n i s mo f p a t e m 6 - b t l e h ir e a c t i o n 第1 章绪论 d a u r i a 等【6 2 】研究呋喃苄醇( 5 ) 与芳香羰基化合物( 6 a 、6 b ) l 拘p b 反应( s c h e m e 1 6 ) 发现了很好的区域选择性，并通过两性离子中间体机理解释了这种选择性。 当呋喃苄醇与二苯酮( 6 a ) 反应时生成的区域异构体7 与8 的比例为1 0 ：1 ，而与 苯甲醛( 6 b ) 反应时生成的7 与8 的比例为2 ：3 。这是由于在反应过程中发生了电 子转移形成自由基离子对，然后呋喃苄醇阳离子自由基中呋喃环上的a 碳原子 与6 a 、6 b 的阴离子自由基上的氧原子发生偶联分别形成两性离子中间体9 、1 0 和n 、1 2 ，通过计算两性离子中间体上总的电子能量可知：中间体9 比1 0 稳 定得多，因此高取代的氧杂环丁烷7 a 更易形成；中间体1 2 比1 l 稳定，所以低 取代的氧杂环丁烷8 b 更易形成。 o 一讯p h p h d r ：9 0 ：1 0 p h 瞬 s c h e m e1 5s o l v e n td e p e n d e n c eo nt h er e g i o s e l e c t i v i t yo fp a t e m b - b i l c h ir e a c t i o n b e t w e e n 2 , 3 - d i h y d r o f u r a na n db e n z a l d e h y d e 5 p h p i i p h o h 6 a ：r l = p h 6 b ：r l = h o h 9 1 0 o h 7 a ：r l = p h 7 b ：r l = h p h ( + p h p h p h o h 8 a ：r l = p h 8 b ：r t = h o h l l 1 2 s c h e m e1 6 h 以耽 7 单 人 弛 第1 章绪论 1 3d n a 中的p a t e m b b t i c h i 反应 脱氧核糖核酸( 简称d n a ) 是紫外线州) 作用于生物体的主要靶分子。碱基 ( 嘌呤和嘧啶) 是核酸在紫外区特定的发色团，它与其它光生物学领域的发色 团( 如光合作用中的叶绿素或视觉现象中的视黄醛) 不同，在紫外光引起的核 酸光化学事件中，有些分子水平的变化会导致有害的生物效应，如细胞死亡、 光致变异和光致癌等。早在1 9 6 7 年，s e t l o w 就曾报道，对于缺乏正常修复 机制的细菌来说，如果每个d n a ( 包含1 0 7 个核苷分子) 中有1 0 个核苷分 子产生了光化学损伤，细菌死亡的可能性就会达到5 0 1 6 3 1 。 紫外线作用于生物体的d n a 碱基产生一系列的光化学产物：环丁烷型嘧 啶二聚体( c p d s ) 、嘧啶嘧啶酮( ( 6 - 4 ) 光产物) 和嘧啶水合物等【诈6 5 】，其中c p d s 和( 6 4 ) 光产物是d n a 损伤的两种主要产物。s c h e m e1 7 中列出了在u v 光辐 照下，同一d n a 链中相邻的嘧啶核苷酸( d i p y r i m i d i n e ) 生成两种主要的光化 学产物：环丁烷型嘧啶二聚体( c p d s ) 和嘧啶嘧啶酮( 6 4 ) 光产物。除胸腺嘧 啶外，d n a 链中相邻的其它类型的嘧啶碱基，如胸腺嘧啶( t ) 胞嘧啶( c ) ， 胞嘧啶( c ) 胸腺嘧啶( t ) ，胞嘧啶( c ) 胞嘧啶( c ) 都可以发生类似反应，但胞嘧 啶( c ) 胸腺嘧啶( t ) 不能生成( 6 4 ) 光产物。 砖段一 i 1 一一搬。 s c h e m e1 7f o r m a t i o no f t h et w om a j o rp h o t o p m d u c t si nd n au n d e ru v l i g h t , c p d sa n d ( 6 - 4 ) p h o t o p r o d u c t s