（材料学专业论文）手性金属配合物催化的13偶极环加成反应的立体选择性研究.pdf

摘要 手性金属催化的1 ，3 一偶极环加成反应的 立体选择性研究 摘要 1 ，3 偶极环加成反应是合成五元杂环化合物的常用方法。自1 9 9 4 年过渡 金属催化的不对称1 ，3 偶极环加成反应首次被报道以来，随着研究的深入， 利用手性金属络合物作为催化剂直接从非手性的1 ，3 偶极试剂和烯烃合成具 有光学活性的产物成为不对称合成的研究热点之一。 本文的研究内容主用由三部分组成：一、c 2 轴对称的双嗯唑啉类金属络 合物催化的以c ，n 二苯基硝酮为偶极体，以缺电子烯烃为亲偶极体的1 ， 3 偶极环加成反应的立体选择性研究；二、以c 1 对称的手性1 ，4 二醇 ( t a d d o l ) 为配体，合成的t a d d o l a t e t i x 2 类催化剂催化的c ，n 二苯基硝 酮和缺电子烯烃的反应的立体选择性研究；三、以l 氨基酸为手性源，生成 的氨基酸席夫碱为配体，形成的m e t a l s a l e n 型席夫碱金属催化的c ，n 二苯 基硝酮和富电子烯烃乙烯基乙醚的1 ，3 偶极环加成反应的立体选择性研究。 具体研究工作简要概括如下： 本文以5 种手性氨基酸r s p h g 、s - p h e 、s v a l 、s l e u 和丙二酸为起始 原料，经过多步反应合成了五种不同结构的手性双噫唑啉配体s 6 9 a d 和 r 6 9 a ，利用所合成的5 种手性配体，与三氟甲磺酸铜络合，形成铜催化剂 s 7 5 a d ，r 7 5 a ；与三氟甲磺酸锌络合形成锌催化剂s 7 6 a d ，和醋酸钴络合 形成钴催化剂s 7 7 ，共十种催化剂体系。上述十种金属催化剂，分别催化了 二苯基硝酮与3 种缺电子烯烃l l a b ，的1 ，3 偶极环加成反应。系统地考察 了催化剂对反应速率，非对映体选择性( 包括e n d o e x o 选择性、区域选择性) 和对映选择性的影响；同时对配位金属离子、配体结构、亲偶极体的结构、 添加物如4 a 分子筛、溶剂的极性、催化剂的量等因素的影响。 研究结果表明，配体结构对反应的不对称诱导作用，尤其是对映体选择 性( e e 值) 有着重要影响。在5 种配体中，由s 苯甘氨酸衍生的6 9 a 具有最好 的手性诱导作用，表现在s 7 5 a 和s 7 6 a 的手性催化活性上即在l l a b 与1 a 的催化反应中，可以分别获得8 0 和7 6 e e 值的产物。 不同金属离子c u 、z n 、c o ，由于络合能力的差异，导致其对催化反应的 哈尔滨理t 大学工学博十学位论文 速率和立体选择性影响也发生明显改变。配位金属为c u 2 + 的催化体系表现出 反应时间明显缩短、优秀的e n d o 、e x o 选择性和对映体选择性；配位金属为 z n 2 + 的催化体系表现出中等的反应速率和中等的非对映体选择性和对映体选 择性；当金属离子为c 0 2 + 时，由于其不能有效的与配体络合，导致其失去催 化活性。 亲偶极体烯烃的结构对反应的立体选择性有重要的影响。烯烃l l b 由于 其相邻c = o 容易与催化体系形成稳定的活化络合物，有利于配体的手性诱 导，因此催化反应具有较高的对映选择性，产物的对映体过量值大于6 5 。 而烯烃l l a 由于不饱和双键上c h 3 的电子效应和空间位阻效应，不利于催化 体系与其形成稳定的活化络合物，导致一些催化反应的对映体选择性不理想。 反应溶剂对催化反应的非对映体选择性和对映选择性有重要影响。实验 所示溶剂中，二氯甲烷是一种较好的1 ，3 偶极反应溶剂。 本文选用未见文献报道的c 1 对称轴的催化剂手性配体，该配体以l 酒石 酸为起始原料，由与苯甲醛缩合保护的酒石酸酯与格式试剂溴化苯基镁反应 得到。该种配体分别与两种钛盐络合，形成了两种金属催化剂 t a d d o l a t e t i c l 29 2 a 和t a d d o l a t e t i ( o t o s ) 29 2 b ，考察了它们对1 a 与l lb 的1 ，3 偶极环加成反应的催化效果以及催化剂的量、溶剂、金属催化剂中的 阴离子c l 。和。o t o s 等因素对反应的区域选择性、e n d o e x o 选择性和对映体选 择性的影响。 实验结果表明，在无催化剂存在的条件下，二苯基硝酮与l l b 反应没有 区域选择性。加入催化剂9 2 a 或9 2 b 后该反应的区域选择性明显提高，当催 化剂的量增加到5 0 m 0 1 时，该反应的4 位异构体达到了1 0 0 。 催化剂9 2 a 或9 2 b 的加入明显改变了反应的e n d o e x o 选择性。与空白反 应相比，催化反应的e n d o e x o 选择性发生了翻转，当催化剂9 2 a 的量增加到 1 0 0 m 0 1 时，e x o 与e n d o 的比值达到4 ：9 6 ，对映体过量值达到6 9 。 溶剂的极性对反应的立体选择性有很大的影响，在1 0 m 0 1 9 2 a 的催化作 用下，随着溶剂极性的增加，反应的选择性逐渐提高，甲苯和二氯甲烷同三 氯甲烷、四氯化碳、乙腈相比是催化效果较好的两种溶剂。 本文以氨基酸和氨基酸苄酯为手性源，合成了1 0 种氨基酸席夫碱z n 、 c u 络合物，1 0 种氨基酸苄酯席夫碱c u ( o t f ) 2 、t i ( i o p r ) 4 的金属络合物，并 以c ，n 二苯基硝酮与富电子烯烃乙烯基乙醚的环加成反应为模版反应，考察 了两类催化剂的催化性能。结论如下： 以氨基酸席夫碱z n 、c u 络合物为催化剂时，如果反应在c h 2 c 1 2 溶剂中 i i 摘要 进行，由于催化剂不溶，即反应在非均相条件下进行，催化剂没有表现出催 化活性。如果反应以d m f 为溶剂，则催化反应可在均相条件下完成，此时 可以得到e n d o 选择性的主产物，e n d o ：e x o 产物比例可以达到8 2 ：1 8 1 0 0 ：0 。 金属离子对反应的e n d o e x o 选择性有较大影响，配体相同时，c u 络合 物的催化性能明显优于z n 的络合物；配体的结构也会对反应的选择性产生 影响，金属相同时，2 羟基1 萘醛同氨基酸缩合而成的席夫碱的催化效果比 水杨醛席夫碱作配体的催化效果好；当金属及醛均相同时，氨基酸的分子量 越小，催化活性越高。 氨基酸苄酯席夫碱c u 2 + 络合物可以大大提高二苯基硝酮与乙烯基乙醚 的反应速度，由空白反应的7 2 小时降为1 0 分钟，但产物的立体选择性不好。 降低反应温度立体选择性有所改进，但反应条件比较苛刻。 氨基酸苄酯席夫碱t i 络合物在非极性溶剂中有良好的溶解性，它们催化 二苯基硝酮与乙烯基乙醚的环加成反应时具有良好的立体选择性，得到e n d o 异构体占优势的产物。配体结构以及中心金属离子的差异对催化效果无明显 影响。 由此可见氨基酸席夫碱金属络合物催化上述反应倾向于生成e n d o 异构 体优势产物，而不论氨基酸的种类及邻羟基芳香醛种类。在目前文献中还未 见以e n d o 一异构体为优势产物的催化剂报道。 关键词1 ，3 偶极环加成反应；手性金属催化剂；对映体选择性 - - i i i 哈尔滨理工大学t 学博士学位论文 s t u d yo nt h es t e r o s e l e c t i v e1 ，3 - d i p o l a r c y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n so fc a t a l y z e db y c h i r a lm e t a l c o m p l e x e s a b s t r a c t t h ea d d i t i o no fa1 , 3 一d i p o l e ( 1 ，3 - d c ) t oa l la l k e n ef o rt h es y n t h e s i so f f i v e m e m b e r e dr i n g si sac l a s s i cr e a c t i o ni no r g a n i cc h e m i s t r y t h ei n t e n s es t u d y o fe n a n t i o s e l e c t i v e1 , 3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nm e t h o d o l o g i e sh a sp r o v i d e do r g a n i c c h e m i s t sw i t ht h et o o l sn e c e s s a r yt os y n t h e s i z eav a r i e t yo fc h i r a lh e t e r o c y c l e si n h i g he n a n t i o e n r i c h e df o r m so nc h i r a ll e w i sa c i d - c a t a l y z e d o rc h i r a l m e t a l m e d i a t e d 1 , 3 一d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nm e t h o d o l o g i e s ，a f t e r t h ef i r s t a s y m m e t r i c1 , 3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o nb yt r a n s i t i o n - m e t a lc a t a l y z e dw a s r e p o r t e di n19 9 4 t h ep a p e ri sm a d eu po ft h r e es e c t i o n s ：o n ei ss t u d yo nt h es t e r o s e l e c t i v i t yo f 1 ，3 d co fc ，n d i p h e n y l n i t r o n ea n da ，1 3 一u n s a t u r a t e di m i d e sc a t a l y z e db y c 2 一s y m m e t r i c a lc h i r a lb i s o x a z o l i n e sm e t a lc o m p l e x e s ；t h eo t h e r i s1 , 3 一d c r e a c t i o n so fc ，n - d i p h e n y l n i t r o n ea n da ，b u n s a t u r a t e di m i d ec a t a l y z e db y c i s y m m e t r i c a lt i ( o t o s ) 2 - a n dt i c h - t a d d o l a t e ；t h et h i r ds e c t i o ni sa m i n o a c i d ss c h i f fb a s e sm e t a l s - c a t a l y z e d1 , 3 - d cr e a c t i o n so fc ，n d i p h e n y l n i t r o n e w i t he l e c t r o n - r i c ha l k e n ee t h y lv i n y le t h e r i nt h i sp a p e r , as e r i e so fc h i r a lb i s o x a z o l i n e sd e r i v e df r o ms - a m i n oa c i d s ， s 6 9 a da n dr 6 9 aa r es y n t h e s i z e d t h ef i v ed i f f e r e n tb i s o x a z o l i n e sc o m p l e x e d w i t hc u ( i i ) ，z n ( i i ) a n dc o ( i i ) f o r m e dt e nc h i r a lm e t a lc o m p l e x e sc a t a l y s t s ，a r e t e s t e dt oc a t a l y z et h e1 , 3 一d cr e a c t i o n so f3 - n - a l k - 2 一e n o y l o x a z o l i d i n o n e sl l a - b 、v i t hc n d i p h e n y l n i t r o n elb t h e1 3 d cr e a c t i o n sb e t w e e n3 7 ：a l k - 2 e n o y l o x a z o l i d i n o n e sl l a - b w i t h n i t r o n elbc a t a l y z e db yc u ( o t f ) 2 ，z n ( o t f ) 2 一a n dc o ( c h 3 c 0 0 ) 2 b i s o x a z o l i n e s a r et e s t e da n dt h ei n f l u e n c eo fc a t a l y s t so nt h er e a c t i o nr a t e ，d i a s t e r e o s e l e c t i v i t y ( i n c l u d i n gr e g i o s e l e c t i v i t ya n de n d o e x os e l e c t i v i t y ) a n de n a n t i o s e l e c t i v i t yw e r e i n v e s t i g a t e d t h e s er e a c t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n ss u c ha s 摘要 t h em e t a li o n s ，t h es t r u c t u r eo fc h i r a ll i g a n d s ，s o l v e n t so fd i f f e r e n tp o l a r i t y , m o l e c u l a rs i e v e s a n dc a t a l y s td o s a g e s t h ep r e s e n tr e s u l t sh a v es h o w nt h a tc h r i a l l i g a n d s h a v ea n i m p o r t a n t e f f e c to nt h ee n d o 、 e x o - s e l e c t i v i t y a n d e n a n t i o s e l e c t i v i t yo ft h e1 3 d cp r o c e s sa n dt h el i g a n d6 9 ad e r i v e df r o ms p h e c a l li n d u c et h em o s te x c e l l e n ts t e r e o s e l e c t i v i t y1 ，3 一d cr e a c t i o n s ，i t sm e t a l c o m p l e x e ss 7 5 aa n ds 7 6 a c a t a l y z e dt h e1 3 d cr e a c t i o n sb e t w e e nl l a ，1 1 ba n d l bp r o c e e dw i t hah i g ho fe n a n t i o s e l e c t i v i t y , u pt o8 0 a n d7 6 r e s p e c t i v e l y m e t a li o n sa r ei m p o r t a n tf a c t o ro nb o t hr e a c t i o nr a t ea n ds t e r e o s e l e c t i v i t yo ft h e c a t a l y z e dr e a c t i o no f1 1a n d1 b t h ep o l a r i t yo fs o l v e n t sa l s oh a sac r u c i a le 骶c t o nt h es t e r e o s e l e c t i v i t vo ft h e1 3 d cr e a c t i o n s d i c h l o r m e t h a n ei sab e t t e r s o l v e n tt h a nt h eo t h e rs o l v e n t w ea l s os t u d i e dt h e1 ，3 d cr e a c t i o n so fc ，n d i p h e n y l n i t r o n el aa n d 3 - n - a l k - 2 e n o y l o x a z o l i d i n o n e s 1 1b c a t a l y z e du s i n g c 1 一s y m m e t r i c a l ： t a d d o l a t e t i x 2a sc h i r a lm e t a lc a t a l y s t s t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc a t a l y s t s ，7 c a t a l y s td o s a g e s s o l v e n t s o fd i f f e r e n t p o l a r i t y a n dc 1 a n d 。o t o so f m e t a lc o m p l e x e so nt h er e g i o - ，e n d o e x oa n de n a n t i o s e l e c t i v i t ya r ed e e p l y i n v e s t i g a t e d t h es t u d i e dr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h es t e r e o s e l e c t i v i t yi sd e c i d e d a c c o r d i n gb yt h ec o m b i n e df a c t o r s w i t h o u tr e g i o s e l e c t i v i t yo ft h eb l a n kr e a c t i o n o fc ，n d i p h e n y l n i t r o n el aa n d3 - a c r y l o y l o x a z o l i d i n - 2 - o n el l bi sa nu n e x c e p t e d e x a m p l ei nt h e1 , 3 - d cr e a c t i o n s a tt h ep r e s e n c eo ft a d d o l a t e - t i c l 2c a t a l y s t s ；， ar e m a r k a b l e i m p r o v e m e n t o ft h er e g i o s e l e c t i v i t yi so b s e r v e d 10 0 r e g i o s e l e c t i v i t yi s o m e rc a nb eo b t a i n e dw h e ni n c r e a s i n gt h ec a t a l y s ta m o u n tt o 5 0 m 0 1 t h ee n d o e x os e l e c t i v i t yo ft h i sr e a c t i o ni so b v i o u s l yr e v e r s e d c o m p a r e dw i t ht h eb l a n k r e a c t i o n ah i g he n d o e x oa n de n a n t i o s e l e c t i v i t yi s o b s e r v e db yi n c r e a s i n gt h ec a t a l y s ta m o u n ta n dt h eb e s te n d o e x or a t i oa n de e i s9 6 ：4a n d6 9 r e s p e c t i v e l yw h e nu s i n g10 0 m 0 1 9 2 aa sac a t a l y s t t h e s t e r e o s e l e c t i v i t y o fr e a c t i o no fc ， n - d i p h e n y l n i t r o n e l aa n d 3 - a c r y l o y l o x a z o l i d i n 2 o n e1 1 bh a sa l s or e l a t i o n sw i t hs o l v e n t s i n c r e a s i n gt h ep o l a r i t yo f s o l v e n tc a nl e a dt oa h i g hs t e r e o s e l e c t i v i t yi nt h ep r e s e n c eo f10 m 0 1 9 2 a p h c h 3 a n dc h 2 c 1 2a r eb e t t e rs o l v e n t si na l ls o l v e n t sf o rt h i sr e a c t i o n t h e s t e r e o s e l e c t i v i t yo ft h i sr e a c t i o ni si n f l u e n c e db ya n i o n sc l - a n d 0 t o so fc a t a l y s t s i ft h ec 1 o ft h ec a t a l y s ti ss u b s t i t u t e dw i t h 。o t o sl i g a n do ft h es a m ec a t a l y s t a m o u n t ，s l i g h t l yc h a n g e ds e l e c t i v i t i e sa r eo b s e r v e d v 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 a san e wc l a s so f p o t e n t i a lc a t a l y s t sf o r1 ，3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n w e s y n t h e s i z e dt w of a m i l i e so fs c h i f fb a s em e t a lc o m p l e x e s ：o n ei sc u ( i i ) a n dz n ( i i ) c o m p l e x e s9 5 a - f 、9 7 a - do fs c h i f fb a s e sd e r i v e df r o ml a m i n oa c i d s t h eo t h e ri s c u ( t o f ) 2c o m p l e x1 0 2 aa n dt i ( 0 1 p r ) 4c o m p l e x e s1 0 3 a g 、1 0 4 a bo fl - a m i n o a c i d sb e n z y le s t e r ss c h i f fb a s e s t w e n t yc a t a l y s t sh a v eb e e ne v a l u a t e df o rt h e i r c a t a l y t i c a c t i v i t i e si n 1 ，3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o n r e a c t i o nb e t w e e n c ，n - d i p h e n y l n i t r o n elba n de t h y lv i n y le t h e r7 aa sam o d e lr e a c t i o n t e nl a m i n oa c i d ss c h i f fb a s e sc u ( 1 1 1a n dz n ( i i ) c o m p l e x e s9 5 a f 、9 7 a dw e r e s y n t h e s i z e db ys o l i d - p h a s em o t h o d , c h a r a c t e r i z e d , a n de v a l u a t e d f o rt h e i r c a t a l y t i ca c t i v i t i e si nm o d e lr e a c t i o nu n d e rb o t hh e t e r o g e n e o u sa n dh o m o g e n e o u s c o n d i t i o n s e x c e l l e n tr e a c t i o nr e s u l t sw g r ef o u n di nt h ep r e s e n c eo fc a t a l y s t9 7 a ( 2 0m 0 1 ) w i t h 10 0 e n d o - i s o a z o l i d i n e s p r o d u c e d ，c o m p a r i n g w i t h p r e d o m i n a n t l ye x o - i s o a z o l i d i n e p r o d u c e dw i t h o u tac a t a l y s t i m p o r t a n t l y , w h e n c u ( t o f ) 2 一s c h i f fb a s ec o m p l e x10 2 aa sc a t a l y s ti ns i t uc o n d i t i o n s ，t h er e a c t i o n r a t ei sf o u n dt ob ee n h a n c e dr e m a r k a b l yb ya b o u t17 0 0t i m e s ( t h er e a c t i o nt i m ei s s h o r t e df r o m7 2h o u r st o10m i n u t e s ) a l t h o u g ht h ep r o d u c ti so b t a i n e dw i t h9 3 e x o - p r o d u c ta tr o o mt e m p e r a t u r ea n db yo p t i m i z i n gt h er e a c t i o nc o n d i t i o n st o m o d e r a t e l yl o wt h er e a c t i o nr a t ea n dl e n g t h e nt h er e a c t i o nt i m et o 10h t h e d i a s t e r e o s e l e c t i v i t yc o u l d b ei m p r o v e dt o7 2 ：2 8r a t i oo ft h ee n d o a n de x o c y c l o a d d u c t sw i t h1 0 0 c o n v e r s i o n a st h ep r e s e n to f ac a t a l y s t1 0 3 ao r1 0 3 b - g ， 10 4 a - b ，9 0 e n d o p r o d u c tc a l lb e o b t a i n e da t1o a n de s p e c i a l l y , w h e n 2 0 m 0 1 1 0 4 ba sac a t a l y s t ，u pt o9 8 e n d o d i a s t e r e o m e rc a nb ea c h i e v e d k e y w o r d s1 , 3 d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n ，c h i r a lm e t a lc a t a l y s t ，s t e r o s e l - e c t i v i t y 哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文手性金属配合物催化1 ， 3 一偶极环加成反应的立体选择性研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工 大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文 中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作 做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将 耠蟀膈麓引耖方吼夕年乡月日作者签名：耖刁侈日期：7 年6 月1 日 哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书 手性金属配合物催化l ，3 偶极环加成反应的立体选择性研究系本人 在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本 论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可 以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囫 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：匆移 导师签名疲1 段 日 7 日 1 ，1 选题的意义 第1 章绪论 l ，3 。偶极环加成反应，是基于三原子a - b e ，4 n 电子的偶极体系，与亲偶极 体的双键发生分子间或分子内【3 + 2 j j t l 成反应，形成五元杂环产物。其通式如图 1 1 所示： 争k eu c ”一一u _ _ _ 一 一 图1 - 11 , 3 偶极环加成反应 f i g 。t - 11 3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n 由于1 3 偶极体系种类极多，亲偶极体系又可以是多种含碳、氮、氧、硫 的重键化合物，因此1 ，3 偶极环加成反应提供了许多有价值的五元杂环的合成 方法n 书3 ，其重要性和逶用性不亚予人们更为熟悉的合成六元环的d i e l s a l d e r 环 加成反应。自上世纪末m i c h e a l 从叠氮苯和丁炔二酸二甲酯合成三唑l 以后，近几 十年来无论是理论上还是应用上对1 ，3 偶极环加成都有较为广泛的研究，使该 反应成为一个重要反应类型。例如：以硝酮为l ，3 偶极体、1 ，2 二取代烯烃为亲 福极体的l ，3 偶极环加成反应是合成异嚼唑烷衍生物的重要途径。异噻唑烷五 元环结构存在于许多药物中。同时，异噫唑可转化成y 氨基醇等化合物( 圈l - 2 ) ， 作为合成具有生物活性的多种化合物的母体。因此，异嗯唑烷衍生物是合成众 多具有霆要生物活性化合物的重要中间体，在有机合成领域发挥重要作用。 l 。3 偶极体一般可以分为烯丙基阴离子型秘炔丙基7 丙二烯阴离子型两类。 烯丙基阴离子型偶极体的特点是在垂直于偶极体平面的三个平行的p z 轨道上有 4 个电子，而且偶极体是弯曲的。属于这类的偶极体有硝酮、羰基叶立德、甲亚 胺时立德和甲亚胺亚胺等。线性的炔丙基丙二烯阴离子型偶极体有一个多余的 冗孰道，它不参与共振结构和反应。这类偶极体包括腈氧化物、腈亚胺和腈时立 德等。 烯丙基阴离子型和炔丙基丙二烯阴离子型偶极体都存在图1 3 的共振结 构。 l 。3 偶极环加成反应涉及偶极体的4 个冗电子和亲偶极体的2 个7 1 ：电子。 哈尔滨理工大学工学博- 学位论文 r l r + 天之 e o r 2 r c h i r a ll e w i sa c i dc a t r l 图1 - 2 硝酮与烯烃的1 。3 偶极环加成反应 f i g 1 - 21 3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n sb e t w e e nn i t r o n e sa n da l k e n e s o c t e t - s t r u c t u r e s e x t e t - s t r u c t u r e 窨。一e 出b - - c ：= d c 。= = 图1 31 , 3 偶极体的共振结构 f i g 1 - 3b a s i cr e s o n a n c es t r u c t u r eo f1 , 3 - d i p o l e 如果1 ，3 偶极环加成反应是按协同机理进行的，按照w o o d w a r d h o f f m a n n 规则h 3 ，偶极体的三个p z 轨道和亲偶极体的两个p z 轨道是同面结合的。 协同的1 ，3 偶极环加成反应的过渡态由底物的前线轨道( f m o ) 控制璐3 。 f i r e s t o n e 提出双游离基和偶极中间体的反应历程如图1 - 4 ( 2 ) 哺1 ，但h u i s g e n 等系 统地研究了1 ，3 偶极环加成反应的机理口3 ，肯定为协同过程，见图1 - 4 ( 1 ) 。 根据前线轨道( f m o ) 理论，底物的反应性是由底物的最低未占有轨道( l u m o ) 和最高占有轨道( h o m o ) 的能量差决定，即取决于底物的h o m o l u m o 相互 作用。偶极体的最低未占有轨道( l u m o ) 可以与烯烃的最高占有轨道( h o m o ) 作 用，相反，烯烃的l 切o 也可以与偶极体的h o m o 作用。s u s t m a n 根据偶极体 和烯烃的前线轨道的能量( 如图1 5 ) 将1 ，3 ，偶极环加成反应分为三类，在类型1 的1 ，3 偶极环加成反应中，起决定作用的前线轨道相互作用是h o m o i d i p o i e - l u 个叭 一 n n 茹d 第1 章绪论 。 纱o a 7 c o 纱? a 7 c 博 企， b 气，c 1 - 4 ( 1 ) u 7 图1 - 41 , 3 偶极环加成反应的机理 f i g 1 - 4m e c h a n i s mo f1 , 3 d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n 1 - 4 ( 2 ) m o a l k e 。在类型2 中，由于偶极体和烯烃的前线轨道能量的相似性，因此两种 h o m o l u m o 相互作用都很重要。在类型3 中，起决定作用的f m o 相互作用 是h o m o a l k c n 。l u m o d i d o l 。，甲亚胺叶立德和甲亚胺亚胺是典型的按类型1 反应。 硝酮和腈氧化物是按类型2 反应；臭氧和亚硝基氧化物偶极体按类型3 反应。 然而在偶极体或烯烃上引入供电子或吸电子取代基将改变f m o 的相对能量，从 而改变反应类型。例如n 甲基c 苯基硝酮与丙烯酸甲酯的1 ，3 偶极环加成反应 是由h o m o d i o o l e - l u m o a l k e n 。相互作用控制，而同样的硝酮与甲基乙烯基醚的反 应是由h o m o a l k 雠一l u m o d i p o ! 。相互作用控制。 能量 亲偶极体体 鎏体l u m o 偶极体 类型1类型2 类型3 h o m o 图1 51 , 3 偶极环加成反应前线轨道作用分类 f i g 1 - 5c l a s s i f i c a t i o no f1 , 3 - d cr e a c t i o n so nb a s i co f t h ef m o s 路易斯酸作为1 ，3 偶极环加成反应的催化剂，可明显加快反应速度。偶极 哈尔滨理丁大学工学博十学位论文 体或烯烃与路易斯酸所形成的金属配体复合物能够控制1 ，3 偶极环加成反应的 区域选择性和立体选择性，其作用可以用偶极体或烯烃与金属离子配合物的 f m o 能量来解释。与未配合金属离子的烯烃相比，与路易斯酸配合的烯烃的 f m o 能量将降低( 如图1 6 ) 。l u m o 能量的降低将使h o m o d i m l e - l u m o a l l 【e i l 。的 能量差比未配位的烯烃h o m o d i p o i c - l u m o 。a k e n 。的的能量差小，使反应加速进行； 同样，路易斯酸配位的偶极体的f m o 能量比未配位的偶极体的f m o 能量低， 基于同样的原因，使反应性增加。 能量 亲偶极体 _刮塑体l u m o 路易斯酸堡坚算 偶极体路易斯酸 ：= 一蝴。 图1 6 路易斯酸作用下偶极体和亲偶极体前线轨道的变化 f i g 1 - 6c h a n g e so f f m o so f d i p o l ea n dd i p o l e p h i l e 烯烃与偶极体的反应主要包括三种选择性问题埔9 ，分别为区域选择性、内 型外型即e n d o e x o 选择性和对映体选择性。后两者属于立体选择性。如果不对 称的偶极体与烯烃反应，便可得到对区域异构体如图1 - 7 ( 1 ) ，区域选择性是非 对映选择性的一种。以烯烃与甲亚胺叶立德的反应为例，如图1 - 7 ( 2 ) t 9 出现了区 域选择性。如果烯烃带有取代基，这个取代基所连的碳原子可以加到带电荷的 碳原子上，得到2 ，4 二取代吡咯烷，也可加到双键端碳原子上，得到2 ，3 二取代 吡咯烷。1 ，3 偶极环加成反应的区域选择性主要由底物的电子和空间因素控制。 每一个区域异构体包括一对内型( e n d o ) 和外型( e x o ) 异构体，如图1 - 7 ( 3 ) 。内型 外型选择性也是非对映选择性的一种。每一个内型或外型异构体又包含一对对 映异构体如图1 - 7 ( 3 ) 。 类似d i e l s a l d e r 反应的内型和外型命名法，产生内型异构体的过渡态存在 次极兀轨道相互作用，见图1 8 。同样的命名法也可用于1 ，3 偶极环加成反应。 1 ，3 偶极环加成反应的内型外型选择性主要由底物的结构或催化剂控制。 第1 帝绪论 1 , 3 一偶极环加成反应的立体选择性问题一直是有机化学中重要的研究课题， + 一一仓+ q 品。 多 品 j + 0 区域异构体 滁碍( 对映异构体 对映异构体 非对映异构体 图1 71 ，3 偶极环加成反应区域及立体选择性 f i g 1 - 7r e g i oa n ds t e r os e l e c t i v i t yo f1 , 3 - d cr e a c t i o n s d i e l s a l d e r 反应内型过渡态 u + ( 内型 u + 茸夕 磷w 堆 图1 8 环加成反应的内外型选择性 f i g 1 - 8e n d oa n de x os e l e c t i v i t yo fc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o n 文献上报道的提高1 ，3 偶极环加成反应立体选择性的主要途径有三种： ( a ) 手性烯烃与非手性偶极试剂反应，例如训： 0 + j o r r l 2 一 1 h e 0 n 久 人 型 + 外 u 哈尔滨理下大学工学博士学位论文 如： ( b ) 非手性烯烃与手性偶极试剂反应，例如n ： + ： ( c ) 以少量的手性金属做催化剂，使用非手性底物合成光学活性产物n 钉，例 艄忒茹+ 6 恭三。：民9 c a t ： 显然，使用少量的手性金属催化剂就可以将大量的潜手性底物对映选择性 地转化为特定构型的手性产物，实现手性放大、手性倍增，是最经济、最符合 绿色化学理念的方法。因此，如何筛选出高立体选择性的金