第21卷第4期 大学化学 2006年8月 [【3,3]·迁移反应过渡态立体化学过程的新观点 许家喜 (化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) 摘要结合环己烷的构象与能量关系，讨论[3,3]口迁移反应的立体化学过程。[3,3]加迁移 反应生成的主产物经过的是椅式过渡态，生成的次要产物经过的是扭船式过渡态，而不是以前认 为的船式过渡态。 经过环状过渡态的协同反应机理进行的·迁移反应是有机化学中的重要重排反应之一 也是在有机合成中广泛应用的重要反应。关于H[1,加迁移反应和C[1,】0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，关于C[3,3]口迁移反应及含有杂 原子的[3,3]·迁移反应的立体化学过程也在一些教材、教学和学习辅导材料中有所讨 论2，作者本人也曾对含有手性碳原子的[3,3]0迁移反应的立体化学过程做过一些讨 论。在此，对[3,3]迁移反应生成次要产物的立体化学过程做些深入的讨论，希望能够从 能量的观点上对认识反应的立体化学过程有所帮助。 本文仍用教材中经常使用的两个经典例子来讨论[3,3]·迁移反应的立体化学过程。 Doering和Roh曾仔细研究了3,4二甲基-l,5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6h,得到的2,6辛二烯中，(Z.E)构 型占997%，(E.E)构型占0.3%：它的外消旋体在100C加热18h,得到的2,6辛二烯中，(E E)构型占90%，（乙Z)构型约为10%，仅有痕量的(Z)构型产物川。这是一个研究得比较 深入细致的实例，因而被许多教科书或辅导材料引用图1)。 6h 一入久+、久入久 99.70(Z.E) 03(EE 18h 人之10oc √入入+入 90°0(EE) 10°。(Z.Z) 图134仁甲基1,5己二烯的Cope重排反应 一般认为，由于环己烷椅式构象的能量最低，内消旋1,5己二烯以经过椅式构象过渡态1 和2反应时所需活化能小，构象1和2均各有一个甲基处于直立键，而另一个甲基处于平伏 键，该重排反应主要经过椅式过渡态，所以得到997%的(Z,E)型产物；而次要产物是经过船 式过渡态重排得到的，船式构象的能量高于椅式，所以经船式构象过渡态3和4发生重排所需 活化能高，得到的次要产物就少。内消旋1,5己二烯若经船式构象过渡态3时，两个甲基虽均 40 008 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnkin
第 21卷 第 4期 大 学 化 学 2006年 8月 [ 3, 3]σ迁移反应过渡态立体化学过程的新观点 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 结合环己烷的构象与能量关系 ,讨论 [ 3, 3 ]σ迁移反应的立体化学过程。 [ 3, 3 ]σ迁移 反应生成的主产物经过的是椅式过渡态 ,生成的次要产物经过的是扭船式过渡态 ,而不是以前认 为的船式过渡态。 经过环状过渡态的协同反应机理进行的 σ迁移反应是有机化学中的重要重排反应之一 , 也是在有机合成中广泛应用的重要反应。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 [ 1～5 ] ,关于 C[ 3, 3 ]σ迁移反应及含有杂 原子的 [ 3, 3 ]σ迁移反应的立体化学过程也在一些教材、教学和学习辅导材料中有所讨 论 [ 1, 2, 5～7 ] ,作者本人也曾对含有手性碳原子的 [ 3, 3 ]σ迁移反应的立体化学过程做过一些讨 论 [ 8 ]。在此 ,对 [ 3, 3 ]σ迁移反应生成次要产物的立体化学过程做些深入的讨论 ,希望能够从 能量的观点上对认识反应的立体化学过程有所帮助。 本文仍用教材中经常使用的两个经典例子来讨论 [ 3, 3 ]σ迁移反应的立体化学过程。 Doering和 Roth曾仔细研究了 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 6h,得到的 2, 62辛二烯中 , ( Z, E)构 型占 99. 7% , ( E, E)构型占 0. 3% ;它的外消旋体在 100℃加热 18h,得到的 2, 62辛二烯中 , ( E, E)构型占 90% , ( Z, Z )构型约为 10% ,仅有痕量的 ( Z, E)构型产物 [ 7 ]。这是一个研究得比较 深入细致的实例 ,因而被许多教科书或辅导材料引用 (图 1)。 图 1 3, 42二甲基 21, 52己二烯的 Cope重排反应 一般认为 ,由于环己烷椅式构象的能量最低 ,内消旋 1, 52己二烯以经过椅式构象过渡态 1 和 2反应时所需活化能小 ,构象 1和 2均各有一个甲基处于直立键 ,而另一个甲基处于平伏 键 ,该重排反应主要经过椅式过渡态 ,所以得到 99. 7%的 ( Z, E)型产物 ;而次要产物是经过船 式过渡态重排得到的 ,船式构象的能量高于椅式 ,所以经船式构象过渡态 3和 4发生重排所需 活化能高 ,得到的次要产物就少。内消旋 1, 52己二烯若经船式构象过渡态 3时 ,两个甲基虽均 04
处于准平伏键，但以全重叠构象存在，能量较高，反应难以进行，只能得到Q3%(EE)型产 物：而若经船式构象过渡态4时，两个甲基均处于准直立键，并且也是以全重叠构象存在，反应 更难进行，所以得不到（乙，Z)型产物（图2）山，2s。 H士Me kmA合 9.7(ZE) Me 久入 e 0.30o(E.E) 0P。(2Z) 图2mcso3,4二甲基1,5己二烯Cpe重排反应的立体化学过程 对于外消旋体，以其中的(R,)1,5己二烯来讨论，在经过椅式构象过渡态5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(EE)构型的产物，占总产物的 90%:当它以经过椅式构象过渡态6重排时，两个甲基均处于直立键，过渡态能量稍高，反应也 可以进行，但比构象5要难，所以得到(Z,Z)构型的产物只占总产物的10%；当它以经过船式 构象过渡态7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(EE)构型的产物：当它以经过船式构象过渡态8重排时，一个甲基处于 准平伏键，另一个甲基处于准直立键，能量更高，几乎不能进行反应，因此，无（乙，）构型的产 物生成图3)21 以上回顾了文献和教科书中的解释和观点，这些分析就是目前对[3,3]口迁移反应产物 的立体化学过程的分析和解释，这种解释通过立体化学分析很好地解释了[3,3]·迁移反应 中主次产物生成的原因，因此被广泛采用。 下面回顾一下环己烷的构象及其势能图（图4）。椅式构象的能量最低，半椅式构象的能 量最高，但应该注意到，扭船式构象比船式构象的能量要低约6mo,因为在船式构象中 有两对碳原子是以重叠式构象存在的（图5），而在扭船式构象中（图5b),这种重叠构象被避 免了，因此能量较低。同时还应该注意到，[3,3]口迁移反应经过扭船式和船式过渡态得到的 产物的立体化学是一致的，但经过扭船式过渡态比经过船式过渡态的能量要低。因此，作者认 为，在[3,3]加迁移反应中，主要产物的生成如同通常描述的那样是经过椅式过渡态进行的， 41 1994-2008 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
处于准平伏键 ,但以全重叠构象存在 ,能量较高 ,反应难以进行 ,只能得到 0. 3% ( E, E)型产 物 ;而若经船式构象过渡态 4时 ,两个甲基均处于准直立键 ,并且也是以全重叠构象存在 ,反应 更难进行 ,所以得不到 ( Z, Z )型产物 (图 2) [ 1, 2, 5～8 ]。 图 2 m eso23, 42二甲基 21, 52己二烯 Cope重排反应的立体化学过程 对于外消旋体 ,以其中的 (R, R ) 21, 52己二烯来讨论 ,在经过椅式构象过渡态 5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% ;当它以经过椅式构象过渡态 6重排时 ,两个甲基均处于直立键 ,过渡态能量稍高 ,反应也 可以进行 ,但比构象 5要难 ,所以得到 ( Z, Z )构型的产物只占总产物的 10% ;当它以经过船式 构象过渡态 7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 ;当它以经过船式构象过渡态 8重排时 ,一个甲基处于 准平伏键 ,另一个甲基处于准直立键 ,能量更高 ,几乎不能进行反应 ,因此 ,无 ( Z, E)构型的产 物生成 (图 3) [ 1, 2, 5～7 ]。 以上回顾了文献和教科书中的解释和观点 ,这些分析就是目前对 [ 3, 3 ]σ迁移反应产物 的立体化学过程的分析和解释 ,这种解释通过立体化学分析很好地解释了 [ 3, 3 ]σ迁移反应 中主次产物生成的原因 ,因此被广泛采用。 下面回顾一下环己烷的构象及其势能图 (图 4)。椅式构象的能量最低 ,半椅式构象的能 量最高 ,但应该注意到 ,扭船式构象比船式构象的能量要低约 6kJ /mol [ 9 ] ,因为在船式构象中 有两对碳原子是以重叠式构象存在的 (图 5a) ,而在扭船式构象中 (图 5b) ,这种重叠构象被避 免了 ,因此能量较低。同时还应该注意到 , [ 3, 3 ]σ迁移反应经过扭船式和船式过渡态得到的 产物的立体化学是一致的 ,但经过扭船式过渡态比经过船式过渡态的能量要低。因此 ,作者认 为 ,在 [ 3, 3 ]σ迁移反应中 ,主要产物的生成如同通常描述的那样是经过椅式过渡态进行的 , 14
Me Me Me 久 -CH-CH; Me e 10°(Z.Z) H.C-CH =入 00。(ZE) 图3(K,R)3,4二甲基1,5己二烯Cope重排反应的立体化学过程 23kJ/mol 图4环己烷中各种构象的势能关系图 ()环己烷船式结构的模型图 (b)环已烷扭船式结构的模型图 图5环己烷船式和扭船式结构的模型图 但次要产物的生成是经过扭船式过渡态形成的，而不是以前认为的是经过船式过渡态形成的。 上述两个例子中，经过船式过渡态形成的次要产物应该是经过如图6所示的扭船式过渡 态形成的。 42 008 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.cnkinet
图 3 ( R, R) 23, 42二甲基 21, 52己二烯 Cope重排反应的立体化学过程 图 4 环己烷中各种构象的势能关系图 ( a) 环己烷船式结构的模型图 ( b) 环己烷扭船式结构的模型图 图 5 环己烷船式和扭船式结构的模型图 但次要产物的生成是经过扭船式过渡态形成的 ,而不是以前认为的是经过船式过渡态形成的。 上述两个例子中 ,经过船式过渡态形成的次要产物应该是经过如图 6所示的扭船式过渡 态形成的。 24
CH=CH Me- ，= CH=CH. e-Me e-Me (EE)0.30 CH-CH: 43210 a-Me a-Me CH=CH, H e H = CH=CH (±) (E.Z)P a-Me e-Me Me =CH, e1 Me-H H-Me = CH=CH: -Me (E.E) () e-Me e-Me 图6【3,3引·迁移反应中经过扭船式过波态形成次要产物的立体化学过程 对于下面的Claisen重排反应的例子，含有(E,E)双键的烯醇醚经重排后，可以得到97% 的苏式产物和3%的赤式产物，认为经过能量低的椅式过渡态得到主要产物苏式产物，经过能 量略高的船式过渡态得到次要产物赤式产物。反应过程如图7。 CH 入0 △ O H:C=CH-H + CH. ct-cH: CHo CH ±)970。 图7(E,E)烯醇醚的Chen重排反应 主要产物的形成与文献中的观点一致，这里不再重复，下面看一下经过扭船式过渡态形成 次要产物的过程（图8）。 e Me OH CHO H H H CH-CH Me Me e-Me e-Me (士)3。 图8Cas重排反应中经过扭船式过渡态形成次要产物的立体化学过程 经过扭船式过渡态与经过船式过渡态得到的产物的构型一致，但过渡态的能量却要低很 43 1994-2008 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.hitp://www.cnki.net
图 6 [ 3, 3]σ迁移反应中经过扭船式过渡态形成次要产物的立体化学过程 对于下面的 Claisen重排反应的例子 ,含有 ( E, E) 2双键的烯醇醚经重排后 ,可以得到 97% 的苏式产物和 3%的赤式产物 ,认为经过能量低的椅式过渡态得到主要产物苏式产物 ,经过能 量略高的船式过渡态得到次要产物赤式产物。反应过程如图 7。 图 7 ( E, E) 2烯醇醚的 C la isen重排反应 主要产物的形成与文献中的观点一致 ,这里不再重复 ,下面看一下经过扭船式过渡态形成 次要产物的过程 (图 8)。 图 8 C la isen重排反应中经过扭船式过渡态形成次要产物的立体化学过程 经过扭船式过渡态与经过船式过渡态得到的产物的构型一致 ,但过渡态的能量却要低很 34
多，因此，应该是有利的过程。 从分析结果来看，不论是经过扭船式过渡态，还是经过船式过渡态，所得产物的立体结构 是一致的，虽然从实验上较难证明，但从能量上看，经过扭船式过渡态应该比经过船式过渡态 更有利，因此，【3,3]·迁移反应的次要产物的生成应该是经过扭船式过渡态实现的。相信通 过以上分析，可以进一步加深对含有手性碳原子的[3,3]口迁移反应的立体化学过程的理解。 参考文献 B.March Advanced Chem istry:Reactins,Mechanims and Ne York John WileySons 2001 2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，1994 3胡宏纹有机化学.第2版.北京：高等教有出版社，1990 4张黯.有机化学教程.北京：高等教育出版社，1990 5梁世蔓，成本诚.高等有机化学.北京：高等教育出版社，1993 6那其毂基础有机化学示范教学，北京：北京大学出版社，198： 7 DocringW vE.Roth W R.162.18:67 8许家喜.大学化学，199813：16 9 Wade L G Jr Organic Chem istry 2nd ed New Jersev:Prentice-Hall,1991 止接第17页) 参考文献 1宗汉兴，命庆森，钱文汉大学化学，1994,9(2：9 2高盘良，常文保，段连运.大学化学，1999,14(2)：21 3王伯康，王志林，孙尔康.大学化学，2001,16(2)：25 4吴性良陆靖.实验技术与管理，2001,18(2)：108 5浙江大学，南京大学，北京大学，等.综合化学实验.北京：高等教育出版社，2001 6施开良，姚天杨，俞厌森.大学化学，2002.17(6)：8 7黄乐览施开良童叶翻.大学化学，2003.18(4)：14 8施开良，姚天杨，俞庆森.中国高等教育，2003.17：27 9施开良姚天杨，俞庆森.实验室研究与探索，2004,23(3)：1 10施开良，陈令梅，姚天扬，等.大学化学，204,19(3)：16 11杜志强.综合化学实验.北京：科学出版社，2005 止接第27页) 参考文献 1戴维·P·休梅克，约琶夫·W·尼布勒，卡尔·W·加兰等，物理化学实验第4版俞鼎琼廖代伟译北京：化学工业 出版社，1990 2干原秀昭物理化学实验沈鹤柏，郎佩珍，李水孚，等译北京：高等教育出版社，198， 3 Sabberg H W.Morew JCohen SR.eal Physical Chem istry Laborry-Principles and Experments London:Maaillan Pub- lishing Co Inc,1978 44
多 ,因此 ,应该是有利的过程。 从分析结果来看 ,不论是经过扭船式过渡态 ,还是经过船式过渡态 ,所得产物的立体结构 是一致的 ,虽然从实验上较难证明 ,但从能量上看 ,经过扭船式过渡态应该比经过船式过渡态 更有利 ,因此 , [ 3, 3 ]σ迁移反应的次要产物的生成应该是经过扭船式过渡态实现的。相信通 过以上分析 ,可以进一步加深对含有手性碳原子的 [ 3, 3 ]σ迁移反应的立体化学过程的理解。 参 考 文 献 1 Smith M B,March J. Advanced O rganic Chemistry: Reactions,Mechanisms and Structures. 5 th ed. New York: John W iley & Sons. 2001 2 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 , 1994 3 胡宏纹. 有机化学. 第 2版. 北京 :高等教育出版社 , 1990 4 张黯. 有机化学教程. 北京 :高等教育出版社 , 1990 5 梁世懿 ,成本诚. 高等有机化学. 北京 :高等教育出版社 , 1993 6 邢其毅. 基础有机化学示范教学. 北京 :北京大学出版社 , 1983 7 DoeringW v E, Roth W R. Tetrahedron, 1962, 18: 67 8 许家喜. 大学化学 , 1998. 13: 16 9 Wade L G Jr. O rganic Chemistry. 2nd ed. New Jersey: Prentice2Hall, 1991 (上接第 17页 ) 参 考 文 献 1 宗汉兴 ,俞庆森 ,钱文汉. 大学化学 , 1994, 9 (2) : 9 2 高盘良 ,常文保 ,段连运. 大学化学 , 1999, 14 (2) : 21 3 王伯康 ,王志林 ,孙尔康. 大学化学 , 2001, 16 (2) : 25 4 吴性良 ,陆靖. 实验技术与管理 , 2001, 18 (2) : 108 5 浙江大学 ,南京大学 ,北京大学 ,等. 综合化学实验. 北京 :高等教育出版社 , 2001 6 施开良 ,姚天杨 ,俞庆森. 大学化学 , 2002, 17 (6) : 8 7 黄乐览 ,施开良 ,童叶翔. 大学化学 , 2003, 18 (4) : 14 8 施开良 ,姚天杨 ,俞庆森. 中国高等教育 , 2003, 17: 27 9 施开良 ,姚天杨 ,俞庆森. 实验室研究与探索 , 2004, 23 (3) : 1 10 施开良 ,陈令梅 ,姚天扬 ,等. 大学化学 , 2004, 19 (3) : 16 11 杜志强. 综合化学实验. 北京 :科学出版社 , 2005 (上接第 27页 ) 参 考 文 献 1 戴维 ·P·休梅克 ,约瑟夫 ·W·尼布勒 ,卡尔 ·W·加兰 ,等. 物理化学实验. 第 4版. 俞鼎琼 ,廖代伟译. 北京 :化学工业 出版社 , 1990 2 千原秀昭. 物理化学实验. 沈鹤柏 ,郎佩珍 ,李永孚 ,等译. 北京 :高等教育出版社 , 1987 3 Salzberg H W ,Morrew J I, Cohen S R, et al. Physical Chemistry Laboratory2Princip les and Experiments. London: Macmillan Pub2 lishing Co Inc, 1978 44