溴与不同取代C=C双键反应的机理和立体选择性_许家喜.pdf

Univ.Chem.2023,38(2),109115 109 收稿：2022-04-14；录用：2022-06-16；网络发表：2022-07-01*通讯作者，Emails: 基金资助：有机化学和中级有机化学一流课程建设项目 知识介绍 doi:10.3866/PKU.DXHX202204052 溴与不同取代溴与不同取代 CC 双键反应的机理和立体选择性双键反应的机理和立体选择性 许家喜1,*，麻远2 1北京化工大学化学学院，北京 100029 2清华大学化学系，北京 100084 摘要：摘要：溴与CC双键的反应是有机化学中一类常见的基元反应。溴与烯烃的CC双键发生亲电加成反应，脂肪烯烃经过三元环正离子中间体再亲核开环机理，形成立体专一的反式加成产物；而芳基烯烃形成的三元环中间体，由于芳基对碳正离子的稳定作用，其苯甲位CBr键容易断裂，会得到顺式和反式加成产物的混合物。溴与酮和酰氯形成的烯醇或烯醇负离子发生亲电取代，反应中溴不会与其CC双键形成三元环正离子中间体。类似地，溴与烯醇醚和烯胺的反应也不经过三元环正离子中间体，分别生成非立体专一的加成和取代产物。本文通过参与该步基元反应的分子轨道合理地解释了溴与这两类底物反应的机理和立体选择性的区别，并总结了溴与不同CC双键反应机理的判断方法，便于教师讲授和学生理解。关键词：关键词：反应；溴；CC键；机理；分子轨道 中图分类号：中图分类号：G64；O624 Mechanisms and Stereoselectivities in the Reactions of Bromine and Different Substituted CC Bonds Jiaxi Xu 1,*,Yuan Ma 2 1 College of Chemistry,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China.2 Department of Chemistry,Tsinghua University,Beijing 100084,China.Abstract:Reaction of bromine and the CC double bond is one of common elementary reactions in organic chemistry.Bromine and alkenes undergo an electrophilic addition.Aliphatic alkenes undergo formation of three-membered cyclic bromonium intermediates and subsequent ring-opening mechanism,affording stereospecific trans-dibromoadducts,while the three-membered cyclic bromonium intermediates of arylolefins favor to dissociate their benzylic CBr bond due to aryl stabilizing the generated carbocations,producing a mixture of cis-and trans-dibromoadducts.However,bromine and enols or enolates generated from ketones or carboxylic halides undergo electrophilic substitutions.Bromine does not generate the corresponding three-membered cyclic bromonium intermediates with their CC bond in the reactions.Similarly,the reactions of viny ethers and enamines with bromine do not undergo the three-membered cyclic bromonium intermediates,either,generating nonstereospecific adducts and substituted products,respectively.This article rationally explains the mechanistic and stereoselective differentiations between the reactions of bromine and these two classes of reactants with reactive molecular orbitals in the elementary reaction,and summarizes the identification method on the reaction mechanism and stereoselectivity of the reactions between bromine and different CC bonds,hoping to be convenient for teaching and understanding.Key Words:Reaction;Bromine;CC bond;Mechanism;Molecular orbital 110 大 学 化 学 Vol.38溴与CC双键的反应是有机化学中一类常见的基元反应。既存在于通过溴与烯烃加成来制备邻二溴代烷，也存在于酮和羧酸-位溴化反应的机理中1,2。酮和羧酸的-位溴化是先形成烯醇或者烯醇负离子，然后溴与烯醇或者烯醇负离子的CC双键反应实现的1,2。这两类反应虽然都包括溴对CC双键的反应，但是，前者是亲电加成先形成三元环溴正离子中间体，然后脂肪烯烃形成的中间体经过溴负离子亲核开环，得到立体专一的反式邻二溴代烷；芳基烯烃形成的中间体还会经过先开环形成芳甲位碳正离子，再与溴负离子结合，形成顺式和反式邻二溴代烷的混合物。而后者却是亲电取代形成质子化的-溴代羰基化合物(酸性条件下)或者-溴代酮(碱性条件下)。这种同一类型的基元反应，却经过不同的反应机理，常常是教学难点，令学生感到困惑。而现行的教材中都没有对二者的区别给出合理的解释，只是各讲各的机理，互不相干。化学反应的本质就是反应物轨道间的相互作用。为了解释这些问题，提高学生对有机化学反应机理的深入认识，我们在教学过程中，通过引入分子轨道解释反应机理37，来说明这两类机理的差别。既加深了学生对反应机理的理解，也提高了学生利用分子轨道相互作用解释有机反应选择性的能力。通过对这两类底物同一个基元反应的分析，给出了判断溴与CC双键反应机理和产物立体选择性的方法，便于教师讲授和学生理解。1 溴与烯烃的亲电加成反应溴与烯烃的亲电加成反应 溴对简单烯烃的亲电加成是极化后的溴分子与烯烃的CC双键经过三元环溴正离子中间体，然后溴负离子再对该三元环亲核开环来实现的。对于脂肪烯烃，该反应是立体专一的反式加成反应，如果CC双键上同一个碳原子上的取代基不同，就会生成一对对映异构体1,2(图1)。图图1 溴与烯烃的亲电加成机理溴与烯烃的亲电加成机理(a)及反应的分子轨道及反应的分子轨道(b)从分子轨道来看，反应过程中，溴对简单烯烃的亲电加成就是烯烃CC双键的键(HOMO轨道)与溴分子的BrBr反键轨道(*BrBr，LUMO轨道)相互作用的结果。烯烃CC双键的键是由两个波相相同的碳原子p轨道相互作用形成，其中间位置波相叠加，轨道系数最大，因此，溴分子的LUMO轨道就会与CC双键的轨道中间重叠，这样可以实现轨道的最大重叠，最有利。因此，会形成三元环溴正离子中间体。所以，溴与简单烯烃的亲电加成反应都经过三元环溴正离子中间体。随后，溴负离子对三元环溴正离子中间体进行亲核开环，溴负离子(HOMO轨道)进攻三元环的CBr反键轨道(*CBr，LUMO轨道)，得到反式加成产物(图1)3。与脂肪烯烃不同，芳基烯烃与溴的亲电加成不是立体专一的8。溴对芳基烯烃的亲电加成也是极化后的溴分子与烯烃的CC双键先形成三元环溴正离子中间体，溴负离子对部分三元环溴正离子亲核开环得到立体专一反式加成产物。但是，由于芳基对碳正离子的稳定作用，部分三元环溴正离子会发生开环形成芳甲位碳正离子，溴负离子可以从碳正离子的上下分别进攻碳正离子，分别得到顺式和反式加成产物。如果CC双键上同一个碳原子上的取代基不同，就会生成一对非对映异构体1,2。(Z)-1-苯基丙烯的顺式加成产物比(E)-1-苯基丙烯的高，是由于其形成碳正离子后CC单键旋转，形成位阻小的苯基和甲基接近对位交叉构象的稳定碳正离子，然后再与溴负离子反应造成的(图2)。No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202204052 111从分子轨道来看，是芳基的HOMO轨道与芳甲位CBr反键轨道(*CBr，LUMO轨道)作用，导致三元环开环，形成稳定的芳甲基碳正离子。然后，溴负离子(HOMO轨道)从上下分别进攻碳正离子的空p轨道(LUMO轨道)，得到顺式和反式加成产物(图2)。图图2 溴与芳基烯烃的亲电加成溴与芳基烯烃的亲电加成(a)、机理、机理(b)及反应的分子轨道及反应的分子轨道(c)2 酮和羧酸酮和羧酸-位溴化反应中的溴与位溴化反应中的溴与CC双键反应双键反应 酮的-位溴化反应是酮首先在酸或碱条件下生成烯醇或者烯醇负离子，然后极化后的溴分子与烯醇亲电取代形成质子化的-溴代酮，与烯醇负离子亲电取代形成-溴代酮，质子化的-溴代酮进一步脱掉质子得到-溴代酮(图3)1,2。羧酸的-位溴化反应，即Hell-Volhard-Zelinsky反应，通常是三溴化磷先把羧酸转化成酰溴，酰溴烯醇化，然后极化后的溴分子与生成的烯醇亲电取代形成质子化的-溴代酰溴，再进一步与反应体系中的羧酸反应，形成质子化的混合酸酐，溴负离子与其反应后得到-溴代羧酸，并形成新的酰溴。因此，该反应只需要催化量的三溴化磷和等量的溴就可以实现羧酸的-位溴化(图3)1,2。酰氯和混合酸酐也可以发生与酰溴相似的-位溴化反应。112 大 学 化 学 Vol.38图图3 酮酮(a)和羧酸和羧酸(b)-位溴化的反应机理，位溴化的反应机理，34共轭体系的分子轨道共轭体系的分子轨道(c)及溴与烯醇及溴与烯醇CC键反应一步的分子轨道键反应一步的分子轨道(d)虽然溴与烯醇和烯醇负离子中CC双键的反应与溴和烯烃CC双键的反应是相似的基元反应，但是，溴与烯醇和烯醇负离子的反应都没有经历三元环溴正离子中间体。烯醇和烯醇负离子可以看成是羟基和氧负离子取代的烯烃，酰溴形成的烯醇是羟基和溴双取代的烯烃，为什么这些取代的烯烃与溴加成都没有经历三元环溴正离子中间体呢？仔细分析它们的共轭体系，我们会发现，与CC双键相连的氧原子的p轨道参与了与CC双键的共轭，形成了与烯丙基负离子相似的34共轭体系(这里采用的是简化了的烯醇34轨道示意图)。在该共轭体系中，2是其HOMO轨道，溴分子的No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202204052 113BrBr反键轨道(*BrBr，LUMO轨道)与34共轭体系的HOMO轨道(2)发生作用，溴的*BrBr轨道只有与轨道系数大的烯醇-碳原子上的p轨道重叠，才能实现最大的有效重叠，这两个轨道间的相互作用是不会形成三元环溴正离子中间体的(图2)3。这就是为什么在酮和羧酸-位溴化中的溴与烯醇或烯醇负离子中CC双键的反应都不会经过三元环正离子中间体的原因。3 溴与烯醇醚和烯胺的加成反应溴与烯醇醚和烯胺的加成反应 烯醇醚是烃氧基取代的烯烃，与烯醇或者烯醇负离子的电子结构相似，也是34共轭体系。因此，溴与烯醇醚亲电加成的机理应该与溴与烯醇或者烯醇负离子的CC双键的亲电加成机理相似。众所周知，溴与环己烯加成形成立体专一的反式-1,2-二溴环己烷。溴与环己烯的含氧类似物二氢吡喃反应时，的确没有得到专一的反式邻二溴加成产物，而是生成了反式和顺式-二溴加成产物的混合物。溴正离子先与二氢吡喃34共轭体系的HOMO轨道反应，生成邻溴代的氧杂环己烯氧鎓离子，溴负离子进攻与氧鎓离子相连的不饱和碳原子，得到二溴代产物，由于溴负离子可以分别从CO双键的两侧进攻，因此得到反式-和顺式-二溴代混合物，并且，对于没有取代的二氢吡喃，位阻小的反式产物为主要加成产物(图4)。图图4 溴与二氢吡喃的亲电加成反应溴与二氢吡喃的亲电加成反应(a)及其机理及其机理(b)对于取代的二氢吡喃，取代基的位置和构型明显影响产物的立体化学(图5)。(R)-2-取代二氢吡喃主要得到反式加成产物。因为(R)-2-取代二氢吡喃主要以其取代基处于平伏键的构象存在，其与溴加成，主要产物为反式产物。而少量的取代基处于直立键构象的原料生成的氧鎓盐中间体会发生构象转化，再与溴负离子反应，生成顺式产物为次要产物。因为溴负离子直接进攻氧鎓盐中间体时，溴负离子从取代基所在一侧接近，位阻较大。构象转化后，溴负离子从取代基的另一侧接近，位阻小，因此生成顺式产物9(图5，反应5-1)。烯糖也是含有取代基的二氢吡喃衍生物，其与溴加成得到的产物就是糖基供体，该反应是制备糖基供体的有效途径之一，在糖化学中得到广泛应用。溴与烯糖加成产物的立体选择性通常受其取代基的位置和构型的影响(图5，反应5-2和5-3)10。反应式5-2中的烯糖，2个取代基处于平伏键和1个取代基处于准平伏键的构象中，取代基彼此之间都是邻位交叉构象，三个较大的取代基为两组邻位交叉构象，因此，该构象式并不稳定；反而是在其构象转换体中，2个取代基处于直立键和1个取代基处于准直立键，取代基彼此之间均是对位交叉，只是与环上邻位碳原子上较小的亚甲基为邻位交叉构象，因此，该构象式比较稳定。其稳定的构象式与(R)-2-取代二氢吡喃取代基处于直立键的构象反应相似，因此，得到的主要产物为顺式加成产物。对于反应式5-3中的烯糖，由于三个取代基均为顺式关系，其两个半椅式构象转换体的能量差不多，因此，得到的反式和顺式产物的产率也就差别不大。114 大 学 化 学 Vol.38 图图5 溴与二氢吡喃衍生物的亲电加成反应溴与二氢吡喃衍生物的亲电加成反应 No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202204052 115与烯醇醚相似，溴与烯胺的反应也不经过三元环溴正离子中间体，是极化后的溴分子中Br+加到烯胺的-碳原子上，形成-溴代亚胺盐中间体，该亚胺中间体水解得到-溴代酮(图6)11。图图6 溴与烯胺的亲电取代反应溴与烯胺的亲电取代反应 可以预测，卤代烯烃CCX与溴的亲电反应也不会经过三元环溴正离子中间体，会形成带有BrCCX+结构的中间体，然后进一步与溴负离子反应得到BrCCBrX类型的产物。4 结语结语 虽然溴与烯烃的亲电加成反应和溴与酮及羧酸的-位溴化反应中都包含溴与CC双键的基元反应，但由于简单烯烃的CC双键就是键体系，而烯醇和烯醇负离子以及烯醇醚中的CC双键与相连氧原子的p轨道形成了CCO 34共轭体系，这两类体系的HOMO轨道不同，导致了它们与溴发生亲电反应的机理不同。从以上分析可以看出，与烷基相连的CC键，只是作为键体系与亲电试剂发生加成反应；而与含有孤对电子的杂原子相连的CC键，如烯醇衍生物、烯胺和卤代烯烃类化合物中的CC键，则作为34共轭体系与亲电试剂发生反应。通过引入分子轨道解释反应机理，可以清楚地解释这两类底物中溴与CC双键反应的机理和立体选择性的差别。化学反应的本质就是轨道相互作用，在教学中加强分子轨道的应用，可以提高学生对有机化学反应机理的理解。参参 考考 文文 献献 1 Volhardt,K.P.C.;Schore,N.E.Organic Chemistry,8th ed.;McMilan Education:New York,NY,USA,2018;pp.538-540,868-869,942.2 邢其毅,裴伟伟,徐瑞秋,裴坚.基础有机化学.第4版.北京:北京大学出版社,2017:346-350,480-481,528-529.3 许薇,许家喜.大学化学,2016,31(8),60.4 王建东,许家喜.化学进展,2016,28(6),784.5 许家喜,陈宁.大学化学,2020,35(7),166.6 许家喜,麻远.化学教育,2022,43(4),112.7 Sheng,D.N.;Xu,J.X.Org.Biomol.Chem.2022,20,4976.8 Rolston,J.H.;Yates,K.J.Am.Chem.Soc.1969,91,1469.9 Berti,G.;Catelani,G.;Monti,L.;Ventresca,G.Tetrahedron 1986,42,3973.10 Boschi,A.;Chiappe,C.;De Rubertis,A.;Ruasse,M.F.J.Org.Chem.2000,65,8470.11 Carlson,R.;Rappe,C.Acta Chem.Scand.1974,B28,1060.