插烯规则及其应用.pdf

第 17 卷 第 2 期大 学 化 学2002 年 4 月插烯规则及其应用张殷全(广州大学生物与化学工程学院化学系 广州 510405)摘要 介绍了插烯规则的提出及其在解释和预测/异常0反应和/异常0产物以及/异常0理化性质上的应用。在许多有机化学教科书和专著中都曾讲述过或提及到插烯规则。用现代眼光来看,插烯规则完全可以用共轭效应的极性交替分布原理来解释,因此凡是应用插烯规则的场合都可以用后者来代替。但这并不意味着插烯规则再也没有必要讲授了,应用插烯规则可以揭示插烯化合物的本质。插烯化合物与母体化合物的结构关系一旦被确定,就可以直接从母体化合物的性质来解释和预测插烯物的行为,从而带来新的认识和启发。这种在有机化学史上起过特殊作用的思维方法)类比法,对教学和研究都是很有益的,人们可以通过插烯物和母体的类比来发现新的反应或新的应用。因此,了解插烯规则及其应用仍然是一件很有意义的事情。1 插烯规则的提出 插烯规则是在 1935年由美国有机化学家 Fuson 在收集了许多反应事例的基础上总结出来的一条经验规则:/在形如 AE1E2或 AE1E2(这里 E1和 E2代表非金属元素)的一类化合物中,当(CC)n型的结构单元插入到A 与E1之间时,不但E2的功能定性地保持不变,而且 E1的功能可以被连在 A 上的碳原子所获取01。这个插烯规则的原始表述,可以用现代电子效应理论表示为下式:母体化合物:AED+1ED-2(设 E2的电负性大于 E1)插烯化合物(一个乙烯单元):ACD+1CD-2ED+1ED-2当C1C2单元插入到A 与 E1之间后,与 E1E2形成了共轭体系。根据共轭效应的极性交替分布原理,E1上的 D+被连在 A 上的碳原子 C1所获取,因而 C1表现出与 E1相似的功能。这样,在插烯前后 A 总是与一个带 D+的原子相连,因此 A 的功能也可以保持不变。这就是插烯规则的本质。由于得到现代电子效应理论的支持,加上它涉及的范围很大,因此插烯规则后来被广泛地引用。2 插烯规则的应用2.1 解释/异常0反应 对于一些表面上似乎不大可能发生而实际上却已成功进行的有机反应,插烯规则可以提55供合理的解释。如果将巴豆酸乙酯(1,n=1),山梨酸乙酯(1,n=2)等看成是乙酸乙酯(1,n=0)的插烯物,那么对于它们在 CH3上能够与草酸乙酯进行 Claisen 酯缩合反应 2就不会感到奇怪,因为 Claisen 酯缩合是乙酸乙酯的典型反应:COOEtCOOEt+CH3(CHCH)nCOOEt 1EtONaCOCH2COOEt(CHCH)nCOOEtCC结构单元也可以在环内,这样四氢二苯甲酮(2)环上的 32亚甲基可看成是插烯的活泼亚甲基。实际上 Fuson 等人早已发现 2 可与草酸乙酯缩合3:COPh 2+COOEtCOOEtEtOKCOCOOEtCOPh 特别要注意的是,芳环的 CC 也是插烯物的结构单元。硝基甲烷(O2NCH3)可与草酸乙酯缩合,而邻、对硝基甲苯(3,4)都是硝基甲烷的插烯物,因而都可与草酸乙酯缩合4:NO2CH3+(COOEt)2NO2CH2COCOOEt 3 O2NCH3+(COOEt)2O2NCH2COCOOEt 4但间硝基甲苯则不会与草酸乙酯缩合,因为它不是硝基甲烷的插烯物,这可以从结构式中看出来。用电子效应理论来解释,是/共轭效应在苯环间位受阻0。众所周知,连在双键上的卤素原子(CCX)是很不活泼的,它们很难发生亲核取代反应。但 B 2氯代巴豆酸乙酯(5)的氯原子却很易被苯氧离子取代而得到对应的醚5:CH3CClCHCOOEt+-OPhCH3COPhCHCOOEt 5这是因为 ClCCCO 可以看成是酰氯 ClCO 的插烯物,而酰氯极易起亲核取代反应。同样,氯乙烯酮类化合物 6(ClCHCHCOR)也表现出酰氯的性质 6。最近,我国学者利用它的这个特性合成了插烯的酰胺 77:NMeN+ClCHCHCOMeTEB AK2CO3/C H2Cl2NMeNCOMe 6(R=Me)7 类似的情况也出现在 52氯亚甲基绕丹宁(8)上,它其实也是酰氯的插烯物,因此可与芳烃进行 Friedel2Crafts 酰基化反应8:HNSSCHClO+PhHAlCl3HNSSCHPhO-S2PhCHCHCONH2 8 9最后脱硫生成芳丙烯酰胺类化合物 9。又如磺酸乙烯酯类化合物 10 中的两个氯原子虽然都连在双键上,但因 RSO2CCCl 是磺酰氯 RSO2Cl 的插烯物,故可预测 B 2氯原子具有活泼的反应性,事实上它极易与醇、硫醇、胺等发生亲核取代反应。例如可与甲醇钠反应生成烯醚(11)9:56 Me3CSO2CCHClCl+NaOMeMe3CSO2CCHOMeCl 10 11而 A 2氯原子仍保持其不活泼的性质。2.2 解释/异常0的反应产物 插烯规则可以提供在插烯的活性部位形成反应产物的可能性,从而解释了/异常0产物的生成。在碱存在下,香芹酮(12)容易与苯甲醛缩合生成单亚苄基香芹酮(13),Fuson 已确定副产物中有双亚苄基香芹酮(14)3:O+PhCHOOCHPh+PhHCOCHPh 12 13 14羰基 A位上的亚甲基是众所周知的活泼亚甲基,13 是正常的反应产物;而 CC 的 A位则是插烯的活泼A位,因此也能再上一个亚苄基生成/异常0的产物 14。据此可以预料烯酮(15)也能与两分子苯甲醛缩合:O+2PhCHOPhHCCHPhO 15 16 事实上,具有手性的双亚苄基烯酮(16)已通过上式合成出来了10。2.3 解释/异常0的检验反应结果 某些化合物在定性检验和颜色反应中呈现异常结果,有时可以通过插烯规则来解释。A 2吡咯甲醛(17)和 B 2吡咯甲醛(18)虽然含有CHO 基团,但它们在 Fehling 试验、Tollens 试验和 Schiff 试验中均得不到阳性结果,也不能进行芳醛特有的 Canizzaro 反应、Perkin 反应和安息香缩合反应11。如果将它们看成是甲酰胺 HNCHO 的插烯物,那么对它们这种令人困惑的行为就容易理解了,酰胺是不会起上述反应的。与之相反,长叶薄荷酮(19)乍看起来不是1 个甲基酮,但它在碘仿试验中却得到阳性结果12。仔细分析一下,就会发现它含有CH3CCCO 这个插烯甲基酮的结构,因此 19 能进行碘仿反应。NHCHO NHCHO O 17 18 192.4 插烯物的光谱特征 插烯化合物在各种光谱中的特征峰,均与母体化合物相近。化合物 18 的红外光谱显示出其羰基吸收峰在 1672cm-1处 11,正好落到酰胺的羰基吸收区域(羰基 I 带),这说明它确实是一个插烯的甲酰胺。插烯的酰胺吸收峰也出现在苯甲酰乙烯胺类化合物 20 的红外光谱中13,它在 1639cm-1处有吸收峰(酰胺 I 带)。叔酰胺的 I 带(它没有 II 带等)原稳定在1650cm-1处,现受共轭效应的影响而向低波数方向移动。而 20 的 CC 伸缩振动吸收峰在1529cm-1处,同样是受到共轭效应的影响而低移(一般的 CC 伸缩振动吸收峰在 1650cm-1附近)。20可被氢化铝锂还原为 21:57 PhCOCHCHNCH2CH2OHMeLAHPhCOCH2CH2NCH2CH2OHMe 20 2121的羰基吸收峰可在 1686cm-1处看到,这时已落到一般芳香酮的羰基吸收区域(16801700cm-1),不再牵涉到氮原子的电子转移了,21不再是插烯的酰胺。2.5 插烯物的物理化学性质 插烯规则也可应用于反应平衡和反应速率的研究领域。由于插烯化合物的反应平衡和反应速率常数的变化趋势与母体化合物一致,因此可以用它来解释和预测有关的研究结果。从表 1的数据可以看出,甲酸、乙酸、丙酸的酸性离解平衡常数(pKa)显示出来的变化趋势,在它们的脂肪族插烯物(丙烯酸、丁烯酸、22戊烯酸)和芳香族插烯物(苯甲酸、对甲基苯甲酸、对乙基苯甲酸)中都同样表现出来:pKa随饱和取代基的增大(H y CH3y C2H5)而增大。也就是说,它们的酸性离解平衡常数(Ka)随饱和取代基的增大而减小。这个变化趋势也表现在它们与甲醇的酯化反应速率常数(k)上。表 2 的数据显示出上述 3 个系列的 k 值都随饱和取代基的增大而减小。许多事例都可证明,取代基对官能团反应性的影响,在通过插入乙烯结构单元(无论是 CC 还是芳环)时并没有改变。表 1 酸性离解平衡常数对照表14母体酸pKa脂肪族插烯酸pKa芳香族插烯酸pKaHCOOH3.751HCHCHCOOH4.26HC6H4COOH4.204CH3COOH4.756CH3CHCHCOOH4.676p2CH3C6H4COOH4.36C2H5COOH4.874C2H5CHCHCOOH4.70p2C2H5C6H4COOH4.35表 2 酯化反应速率常数对照表15(15e,CH3OH)母体酸k脂肪族插烯酸k芳香族插烯酸kHCOOH1224HCHCHCOOH3.04HC6H4COOH0.283CH3COOH104CH3CHCHCOOH1.62o2CH3C6H4COOH0.092C2H5COOH91C2H5CHCHCOOH1.50o2C2H5C6H4COOH0.0562.6 插烯物的药理活性 在药物分子设计上有一条等排性(isostery)规则:基团CHCH,NN,CHN可以用来连接已知有药理活性的两部分,并等距离地维持这种活性。显然,这是插烯规则在该领域中的一个推论。据此可设计和研制出新的合成药物。例如从已知药物磺胺(22)出发,经重氮化、与水杨醛偶联、与对苯二胺缩合等步骤,得到磺胺的等排物 23 16:H2NSO2NH2NaNO2H2NSO2N+NCl-OHCHO 22 H2NSO2NNOHCHOH2NNH2H2NSO2NNOHCHNNH223试验表明,23 具有与磺胺相似的药理活性。2.7 插烯物的热色性 某些物质会随着温度的变化而显示出肉眼所能观察到的明显的颜色变化,这种性质称为58热色性。产生热色性的分子一般都是一些拥挤的分子,低温时它的平面性受到阻碍,温度升高可增大键的可旋转性,而有利于分子的平面构象的出现。平面度的增大会使共轭效应增强,随着温度升高,平面度不断改善,共轭效应随之增强,致使该化合物的吸收峰红移,造成颜色的变化,或从无色(吸收峰在紫外区)变为有色(吸收峰红移至可见光区)。二蒽醌(24)就是这样一种强热色性物质,它在低温时是无色的,但随着温度的上升会出现各种艳丽的颜色。它的插烯物 25 也具有热色性,后者在 0 e 时呈现橙色而在 240e 时变为深紫色 17。2.8 插烯的甜味剂 甜味剂的甜味在插入乙烯单元后仍能保持。对乙氧基苯脲(26,n=0)是一种甜味剂,俗称/甘素0。它的插烯物)对乙氧基苯乙烯脲(26,n=1)也是甜的 18。OO OO (CHCH)nNHCONH2OEt 24 25 263 结束语 从上述例子可以看出,如果某化合物可以作为 1个熟悉化合物的插烯物时,那么对它的处理就会变得很方便。如果 1 个化合物出现异常的反应或反应产物、异常的检验反应结果、异常的谱带或异常物理化学性质时,可以考虑它是否为另一化合物的插烯物。如果出于某种理由要增大分子量而不改变其活性时,也可以考虑采用插烯的方法。为此,在有机化学课程中讲授插烯规则 仍然是十分必要的。参 考 文 献1 Fuson R C.Chem Rev,1935,16:12 Hauser C R,Hudson B E.The Acetoacetic Ester Condensation and Certain Related Reactions in Adams 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