第13卷第6期 人学化号 1998年12月 含手性碳原子的3,3)·迁移反应的立体化学过程 许家喜 (北京大学化学与分子工程学院100871) 摘要本文对含有手性碳原子的3,3]迁移反应的立体化学过程进行了讨论，重点讨论了 含有手性碳原子的Copc重排和Claisen重排的产物及其生成的立体化学过程。 在众多的有机反应中，有一类反应的反应过程是无法用离子型机制或自由基型机制来解 释的。60年代，化学家在总结了大量这类反应后，提出了形成环状过渡态的协同反应机制，并 称之为周环反应，周环反应包括电环化反应环加成反应和·迁移反应3大类。·迁移反应是 指在化学反应中，一个键沿着共轭体系由一个位置移动到另一个位置，同时伴随π键转移 的反应。在·迁移反应中，原来σ键的断裂和新o键的形成及π键的迁移都是经过环状过渡 态协同完成的。·迁移反应中既包括氢原子的迁移反应1j】口迁移反应，也包括碳原了 的迁移反应C1]和C[i]o迁移反应。关于H1]o迁移反应和C1]o迁移反应的 立体化学过程在现有的有机化学教材中已讨论得很清楚一1，这里不再赘述。本文将讨论 Cij]o迁移反应中最重要的一类C[3,3]o迁移反应及含有杂原子的[3,3]o迁移反应，特别 是对含有手性碳原子的[3,3]·迁移反应的立体化学过程将作重点讨论。目前关于这类反应 的立体化学过程的深入讨论很少见报道1,2,1。 一、Cope重排 q3,3引0迁移反应 Cope等发现1,5己二烯及其衍生物在没有催化剂或引发剂存在下加热，碳架会经过六元 环过渡态发生重排，该重排被叫做Cope重排。Cop心重排是典型的C[3,3]o迁移反应，其反应 过程如下，通常是经过椅式或船式构象过渡态来进行的，是一个协同反应 3 1 3人1 3 16 1994-2009 China Academie Joural Eleetronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.cnki.net
第 13 卷 第 6 期 1998 年 12 月 含手性碳原子的[ 3 ,3]σ迁移反应的立体化学过程 许 家 喜 (北京大学化学与分子工程学院 100871) 摘要 本文对含有手性碳原子的[3 ,3 ]σ迁移反应的立体化学过程进行了讨论 ,重点讨论了 含有手性碳原子的 Cope 重排和 Claisen 重排的产物及其生成的立体化学过程。 在众多的有机反应中 ,有一类反应的反应过程是无法用离子型机制或自由基型机制来解 释的。60 年代 ,化学家在总结了大量这类反应后 ,提出了形成环状过渡态的协同反应机制 ,并 称之为周环反应 ,周环反应包括电环化反应、环加成反应和σ迁移反应 3 大类。σ迁移反应是 指在化学反应中 ,一个σ键沿着共轭体系由一个位置移动到另一个位置 ,同时伴随π键转移 的反应。在σ迁移反应中 ,原来σ键的断裂和新σ键的形成及π键的迁移都是经过环状过渡 态协同完成的。σ迁移反应中既包括氢原子的迁移反应 ———H[ 1 ,j]σ迁移反应 ,也包括碳原子 的迁移反应 ———C[ 1 ,j]和 C[i ,j]σ迁移反应。关于 H[ 1 ,j]σ迁移反应和 C[ 1 ,j ]σ迁移反应的 立体化学过程在现有的有机化学教材中已讨论得很清楚[1～4 ] ,这里不再赘述。本文将讨论 C[i ,j]σ迁移反应中最重要的一类 C[ 3 ,3 ]σ迁移反应及含有杂原子的[ 3 ,3 ]σ迁移反应 ,特别 是对含有手性碳原子的[ 3 ,3 ]σ迁移反应的立体化学过程将作重点讨论。目前关于这类反应 的立体化学过程的深入讨论很少见报道[1 ,2 ,5 ] 。 一、 Cope 重排 ———C[ 3 ,3]σ迁移反应 Cope 等发现 1 ,52己二烯及其衍生物在没有催化剂或引发剂存在下加热 ,碳架会经过六元 环过渡态发生重排 ,该重排被叫做 Cope 重排。Cope 重排是典型的 C[ 3 ,3 ]σ迁移反应 ,其反应 过程如下 ,通常是经过椅式或船式构象过渡态来进行的 ,是一个协同反应。 16
以上介绍了C0pe重排反应过程的一般情况，含有取代基的1，子己二烯，特别是含有手性 碳原子的取代1,5己二烯在发生C0p心重排时，其反应产物不仅受反应物在过渡态时的构象的 影响，而且还受反应物中的手性碳原子影响，而后者往往被人们在讨论时忽略。 Doering和Roth仔细研究了3,4二甲基1，S己二烯光学异构体的Cope重排反应，并测 定了产物的构型，得到如下结果：它的内消旋体在225C加热6小时，得到的2,6辛二烯中， (Z,E)构型的占99.7%，（E,E)构型的占0.3%：它的外消旋体在100C加热18小时，得到的 2,6辛二烯中，(E,E)构型的占90%，(Z.Z)构型的约为10%，仅有痕量的(Z,E)构型产 物)。这是一个研究得比较细致的实例，因而被许多教科书引用，但在这些教科书中通常对 其反应的立体化学过程分析得不够深入。本文拟对这一实例的反应过程进行深入细致的分 析，以利于对含有手性碳原子的Cope重排反应立体化学过程的认识。 H e -H Me- (EE)0.3 1 (ZE)99.7 -H -Me ZZ)100。 (ZE)0° 首先看一下内消旋2,6辛二烯的反应构象。有可使两个甲基均处于准平伏键的船式过 渡态的构象1和两个甲基均处于准直立键的船式过渡态的构象2，（为了与椅式构象中的平伏 17 1994-2009 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
以上介绍了 Cope 重排反应过程的一般情况 ,含有取代基的 1 ,52己二烯 ,特别是含有手性 碳原子的取代 1 ,52己二烯在发生 Cope 重排时 ,其反应产物不仅受反应物在过渡态时的构象的 影响 ,而且还受反应物中的手性碳原子影响 ,而后者往往被人们在讨论时忽略。 Doering 和 Roth 仔细研究了 3 ,42二甲基21 ,52己二烯光学异构体的 Cope 重排反应 ,并测 定了产物的构型 ,得到如下结果 :它的内消旋体在 225 ℃加热 6 小时 ,得到的 2062辛二烯中 , ( Z , E) 构型的占 9917 % ,( E , E) 构型的占 013 % ;它的外消旋体在 100 ℃加热 18 小时 ,得到的 2 ,62辛二烯中 , ( E , E) 构型的占 90 % , ( Z , Z) 构型的约为 10 % ,仅有痕量的 ( Z , E) 构型产 物[6 ] 。这是一个研究得比较细致的实例 ,因而被许多教科书引用 ,但在这些教科书中通常对 其反应的立体化学过程分析得不够深入。本文拟对这一实例的反应过程进行深入细致的分 析 ,以利于对含有手性碳原子的 Cope 重排反应立体化学过程的认识。 首先看一下内消旋 2 ,62辛二烯的反应构象。有可使两个甲基均处于准平伏键的船式过 渡态的构象 1 和两个甲基均处于准直立键的船式过渡态的构象 2 , (为了与椅式构象中的平伏 17
键和直立键相区别，在此将船式构象中的平伏键和直立键称为准平伏键和准直立键。)还有可 使一个甲基处于平伏键而另一个甲基处于直立键的椅式过渡态的构象3。由于椅式构象能量 低，内消旋2,6辛二烯以构象3经椅式过渡态反应时所需活化能小，该重排反应主要经过椅式 过渡态，得到99.7%的(Z,E)型产物；船式构象的能量高于椅式，所以经船式过渡态发生重排 所需活化能大。内消旋2,6辛二烯若经船式过渡态只能以构象1和2的形式参与反应。以构 象1和2进行反应经过船式过渡态时，两个甲基均以全重叠构象存在，能量很高，反应难以进 行，而构象2经过船式过渡态时，两个甲基均处于准直立键，更难进行反应，所以得不到(Z,Z) 型产物，以构象1进行反应也只能得到0.3%(E,E)型产物。 下面以外消旋体中的(R,)2,6辛二烯来讨论外消旋体进行重排反应的过程及其与产 物的关系，它以构象4经过椅式过渡态重排时，两个甲基均处于平伏键，过渡态能量低，容易进 行，所以主要得到(E,E)构型的产物，占总产物的90%；当它以构象5经过椅式过渡态重排 时，两个甲基均处于直立键，过渡态能量稍高，反应也容易进行，但比构象4要难，所以得到 (Z.2)构型的产物，只占总产物的10%；当它以构象6经过船式过渡态重排时，两个甲基虽均 处于准平伏键，但其过渡态为船式构象，能量较高，较难进行，即使发生也得到(E,E)构型的 产物；当它以构象6经过船式过渡态重排时，一个甲基处于准平伏键，一个甲基处于准直立键 能量更高几乎不能进行反应。 二、Claisen重排 Claisen重排也是[3,3]o迁移反应，它与Cope重排的不同在于一个碳原子换成了氧原子 3心九 我们来看一个取代的烯丙基芳基醚发生重排的例子 在该反应中，无论原来烯丙基的双键是Z构型还是E构型的，重排后新的双键总是E构 型的，这是因为此重排反应经过的六元环状过渡态具有稳定椅式构象的缘故。这是一些有 机化学教材中作出的解释，这毫无疑问是对的，但这对该反应的立体化学过程的解释并不全 面。我们不应忽视新生成的手性碳原子的构型。虽然不同构型的双键均可以得到￡型的双 键，但它们新生成的手性碳原子的构型却不同。如(S,Z构型的原料重排成(S,构型的产 物，而(S,E构型的原料却重排成(R,E)构型的产物：(R,Z)构型的原料重排得到(R,E)构 型的产物，而(R,)构型的原料却重排得到(S,)构型的产物。可见双键的构型控制了手性 碳原子的构型，即Z构型双键的原料重排后产物的手性碳原子的构型与原料一致，而￡构型 双键的原料重排后产物的手性碳原子的构型却与原料相反。 18 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnkinet
键和直立键相区别 ,在此将船式构象中的平伏键和直立键称为准平伏键和准直立键。) 还有可 使一个甲基处于平伏键而另一个甲基处于直立键的椅式过渡态的构象 3。由于椅式构象能量 低 ,内消旋 2 ,62辛二烯以构象 3 经椅式过渡态反应时所需活化能小 ,该重排反应主要经过椅式 过渡态 ,得到 99. 7 %的( Z , E) 型产物 ;船式构象的能量高于椅式 ,所以经船式过渡态发生重排 所需活化能大。内消旋 2062辛二烯若经船式过渡态只能以构象 1 和 2 的形式参与反应。以构 象 1 和 2 进行反应经过船式过渡态时 ,两个甲基均以全重叠构象存在 ,能量很高 ,反应难以进 行 ,而构象 2 经过船式过渡态时 ,两个甲基均处于准直立键 ,更难进行反应 ,所以得不到( Z , Z) 型产物 ,以构象 1 进行反应也只能得到 013 %( E , E) 型产物。 下面以外消旋体中的( R , R)22 ,62辛二烯来讨论外消旋体进行重排反应的过程及其与产 物的关系 ,它以构象 4 经过椅式过渡态重排时 ,两个甲基均处于平伏键 ,过渡态能量低 ,容易进 行 ,所以主要得到( E , E) 构型的产物 ,占总产物的 90 % ;当它以构象 5 经过椅式过渡态重排 时 ,两个甲基均处于直立键 ,过渡态能量稍高 ,反应也容易进行 ,但比构象 4 要难 ,所以得到 ( Z , Z) 构型的产物 ,只占总产物的 10 % ;当它以构象 6 经过船式过渡态重排时 ,两个甲基虽均 处于准平伏键 ,但其过渡态为船式构象 ,能量较高 ,较难进行 ,即使发生也得到 ( E , E) 构型的 产物 ;当它以构象 6 经过船式过渡态重排时 ,一个甲基处于准平伏键 ,一个甲基处于准直立键 , 能量更高 ,几乎不能进行反应。 二、 Claisen 重排 Claisen 重排也是[ 3 ,3 ]σ迁移反应 ,它与 Cope 重排的不同在于一个碳原子换成了氧原子。 我们来看一个取代的烯丙基芳基醚发生重排的例子 : 在该反应中 ,无论原来烯丙基的双键是 Z 构型还是 E 构型的 ,重排后新的双键总是 E 构 型的 ,这是因为此重排反应经过的六元环状过渡态具有稳定椅式构象的缘故[1 ] 。这是一些有 机化学教材中作出的解释 ,这毫无疑问是对的 ,但这对该反应的立体化学过程的解释并不全 面。我们不应忽视新生成的手性碳原子的构型。虽然不同构型的双键均可以得到 E 型的双 键 ,但它们新生成的手性碳原子的构型却不同。如( S , Z) 构型的原料重排成( S , E) 构型的产 物 ,而( S , E) 构型的原料却重排成( R , E) 构型的产物; ( R , Z) 构型的原料重排得到( R , E) 构 型的产物 ,而( R , E) 构型的原料却重排得到( S , E) 构型的产物。可见双键的构型控制了手性 碳原子的构型 ,即 Z 构型双键的原料重排后产物的手性碳原子的构型与原料一致 ,而 E 构型 双键的原料重排后产物的手性碳原子的构型却与原料相反。 18
在Cope重排反应的讨论中，我们已经知道[3,3]o迁移反应主要是经过椅式过渡态发生 的，在此为了简便起见，只讨论经过稳定椅式过渡态发生的反应及生成的产物，具体如下： H Me H Me Me Ie合Me H 地艺 从上述反应式中，可以清楚地看出反应物中双键的构型对产物的立体化学是有影响的，虽 然它不影响产物中双键的构型，但它却影响产物中新生成的手性碳原子的构型；而产物中双键 的构型虽然受原料醚中的手性碳原子影响，但由于形成过渡态时的椅式构象可以自由地上下 翻转，无论原料醚中的手性碳原子是什么构型的，总可以把甲基转化成处于平伏键的椅式构象 过液态来进行反应，只要原料醚中手性碳原子上的甲基在形成椅式过渡态时处于平伏键那么 重排后产物中的双键就总是E构型。不仅双烯中的手性碳原子在重排时可以控制产物双键 的构型，双键的构型在重排时也可以控制产物中形成的不对称碳原子的构型，如下面的反应： 久 -CHO -CHO CH,-CH- H -CH-CH, 苏式产物970。 泰式产物3°。 从下面的反应过程可以很清楚地看出主要得到苏式产物。 Mle.o e H- CHG H CH,=CH-H 士) 苏式产物97°。 00 H -CHO -CH-CH, e -H -H 仕 赤式产物3。 (下转第29页) 19 China Academie Joumal Eleetronie Publishing House.All rights reserved.hitp://www.enki.net
在 Cope 重排反应的讨论中 ,我们已经知道[ 3 ,3 ]σ迁移反应主要是经过椅式过渡态发生 的 ,在此为了简便起见 ,只讨论经过稳定椅式过渡态发生的反应及生成的产物 ,具体如下 : 从上述反应式中 ,可以清楚地看出反应物中双键的构型对产物的立体化学是有影响的 ,虽 然它不影响产物中双键的构型 ,但它却影响产物中新生成的手性碳原子的构型 ;而产物中双键 的构型虽然受原料醚中的手性碳原子影响 ,但由于形成过渡态时的椅式构象可以自由地上下 翻转 ,无论原料醚中的手性碳原子是什么构型的 ,总可以把甲基转化成处于平伏键的椅式构象 过渡态来进行反应 ,只要原料醚中手性碳原子上的甲基在形成椅式过渡态时处于平伏键 ,那么 重排后产物中的双键就总是 E 构型。不仅双烯中的手性碳原子在重排时可以控制产物双键 的构型 ,双键的构型在重排时也可以控制产物中形成的不对称碳原子的构型 ,如下面的反应 : 从下面的反应过程可以很清楚地看出主要得到苏式产物。 (下转第 29 页) 19
(5)所通报的化合物是什么？有无子结构？ (⑥)该领域的主要文献是什么？ (7)美国或其他国家何年举行过何种学术会议，主办单位和组织者是谁？ (8)某市某地最占优势的科研项目是什么？ (9)在某领域中有多少个研究机构？ (10)某领域中公认的专家是谁？ 在ISI的各种数据库中，用户获得切题文献打印件所需时间从向ISI提问算起通常最多 不过10余天1。 此外，1S1还为用户提供一系列用于个人计算机的联机数据库软件。这些软件不但保证 从ISI Search Network网中获得信息而且可以通过DIALOG和BRS等中介系统从ISI的多 种数据库中以及S1联机库中获得信息。 ISI还实行“定制磁带服务”(Customized Tape Service)。这是一种特殊的信息服务方式， 它根据用户提出的杂志清单，从1S1加工的6800余种自然科学和人文科学杂志中，按用户规 定的主题选取相关资料，并制作成专用数据库。专用数据库每周发送给用户，其内容都是从本 周内加工的杂志中选出来的。从杂志出版至该杂志的书目输进磁带，全过程时间约为1~3 周。 随着我国通讯事业的下断发展，特别是与Internet网连通，使科技人员联机检索意识逐渐 增强。相信不久我国的广大科学研究技术人员、图书馆专家和信息专业人员也能方便地享用 1SI的服务。S1在化学方面的出版物，将会在我国高等院校、科研院所的化学教学和科研生产 中发挥积极的作用 参考文献 Muo1B.赵云龙等译.科学引文索引与科学前沿预测.北京：兵器工业出版社，199 王益明.情报理论与实践，19936：50~52 博特尔RT主编 ·冯宗菽等译」 化学文献的使用第3版。北京：化学工业出版社，198 4余向春编著。化学文献及查阅方法，北京：科学出版社，1983：119~120 (上接第19页) 由于经过椅式过渡态比经过船式过渡态所需的活化能低，所以主要得到苏式产物 以上分析了经常见到的含有手性碳原子的[3,3]·迁移反应的立体化学过程，并对重排产 物和反应过程的关系进行了讨论这些将有助于对该反应的深入理解。 参考文献 1邢其毅，周政，徐瑞秋，表伟伟.基础有机化学，第二版北京：高等教育出版杜，1994 2胡宏纹有机化学.第二版。北京：高等教育出版社，1990 3张.有机化学教程北京：高等教育出版社 4梁世懿成本诚.高等有机化学.北京：高等教育出版社，1993 5那其基有机化学示范教学北京北京大学出版社，19 Roth W R dom,1962:18:6774 29 o1994-2009Chin Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
(5) 所通报的化合物是什么 ? 有无子结构 ? (6) 该领域的主要文献是什么 ? (7) 美国或其他国家何年举行过何种学术会议 ,主办单位和组织者是谁 ? (8) 某市某地最占优势的科研项目是什么 ? (9) 在某领域中有多少个研究机构 ? (10) 某领域中公认的专家是谁 ? 在 ISI 的各种数据库中 ,用户获得切题文献打印件所需时间从向 ISI 提问算起通常最多 不过 10 余天[1 ] 。 此外 , ISI 还为用户提供一系列用于个人计算机的联机数据库软件。这些软件不但保证 从 ISI Search Network 网中获得信息 ,而且可以通过 DIALO G和 BRS 等中介系统从 ISI 的多 种数据库中以及 ISI 联机库中获得信息。 ISI 还实行“定制磁带服务”(Customized Tape Service) 。这是一种特殊的信息服务方式 , 它根据用户提出的杂志清单 ,从 ISI 加工的 6800 余种自然科学和人文科学杂志中 ,按用户规 定的主题选取相关资料 ,并制作成专用数据库。专用数据库每周发送给用户 ,其内容都是从本 周内加工的杂志中选出来的。从杂志出版至该杂志的书目输进磁带 ,全过程时间约为 1～3 周。 随着我国通讯事业的不断发展 ,特别是与 Internet 网连通 ,使科技人员联机检索意识逐渐 增强。相信不久我国的广大科学研究技术人员、图书馆专家和信息专业人员也能方便地享用 ISI 的服务。ISI 在化学方面的出版物 ,将会在我国高等院校、科研院所的化学教学和科研生产 中发挥积极的作用。 参 考 文 献 1 МаршаковаИВ著 1 赵云龙等译 1 科学引文索引与科学前沿预测 1 北京 :兵器工业出版社 , 1992 2 王益明 1 情报理论与实践 , 1993 ;6 :50～52 3 博特尔 R T 主编 1 冯宗菽等译 1 化学文献的使用 1 第 3 版 1 北京 :化学工业出版社 , 1987 4 余向春编著 1 化学文献及查阅方法 1 北京 :科学出版社 , 1983 :119～120 (上接第 19 页) 由于经过椅式过渡态比经过船式过渡态所需的活化能低 ,所以主要得到苏式产物。 以上分析了经常见到的含有手性碳原子的[ 3 ,3 ]σ迁移反应的立体化学过程 ,并对重排产 物和反应过程的关系进行了讨论 ,这些将有助于对该反应的深入理解。 参 考 文 献 1 邢其毅 ,周政 ,徐瑞秋 ,裴伟伟. 基础有机化学. 第二版 1 北京 :高等教育出版社 , 1994 2 胡宏纹. 有机化学. 第二版 1 北京 :高等教育出版社 , 1990 3 张黯. 有机化学教程. 北京 :高等教育出版社 , 1990 4 梁世懿 ,成本诚. 高等有机化学. 北京 :高等教育出版社 , 1993 5 邢其毅. 基础有机化学示范教学. 北京 :北京大学出版社 , 1983 6 Doering W V E , Roth W R. Tetrahedron , 1962 ;18 :67～74 29