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1、第20卷 第2期2005年4月有机合成中的极性转换张维(北京大学化学与分子工程学院2001级 北京100871)摘要 极性转换是指有机化合物中的某个原子或原子团的反应特性发生了暂时转换的过程。在有机合成中可以用来合成很多常规方法不易得到的化合物。作为切断法的一个重要补充,在有机合成中占有很重要的地位。从系统理论的高度来对待这个问题,对熟练掌握有机合成有很重要的意义。极性转换是指在有机化合物中的某个原子或原子团的反应特性(在本文中特指亲电性和亲核性)发生了暂时相互转换的过程。在有机合成中,其中心问题就是碳碳键的构成和官能团的转换,其中碳键的构成往往又是主要矛盾。对于有机合成分析中最为常用的切断法
2、来说,构成碳碳键的核心就是把目标碳链切成或正或负的合成子。从这个角度来说,碳碳链的形成实质就是正负合成子的结合。而在合成中,如果遇到需要连上的基团的反应性不满足人们的要求时,便必须对它进行极性转换了。如:OOO+O-碳由于羰基吸电子影响,可以稳定负电荷,因此可以方便地得到 碳负离子(如乙酰乙酸乙酯) ,可是碳正离子与碳负离子有相反的电性,按照常规是不容易得到的,必须通过极性转换得到。在有机合成路线设计过程中,贯穿把碳链的合成看做是正负基团的结合,再根据需要对其进行极性转换的思想,可以大大减少设计路线的盲目性,提高效率,对合成某些难于合成的化合物有很好的效果。1 烃类化合物的极性转换在有机化合物
3、中,烃类的结构相对简单;同时,有机合成有很大一部分工作就是简单接上一个或正或负的烷基,如果能方便地得到烷基正离子和负离子,并能把它们进行相互转化的话,就能简化合成设计。1. 1 卤代烃的极性转换卤代烃由于卤素原子的吸电子作用,使与之相连的碳呈一定的电正性,在反应中提供的是烷基正离子。要使之成为烷基负离子,使碳上的电子云密度升高,最容易想到的方法就是在碳84 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.上直接连上一个给电子基团。而可以提供电子最易得的物质就是活泼金属。因此通常让卤代烃和活泼金属反应形
4、成金属化合物,如有机锂,烷基铜锂,格氏试剂。由于金属的电负性很小,使与之相连的碳带有部分负电荷,这样就得到一个烷基负离子,可以与化合物中电正性的部分连接。与卤代烷可以引入烷基正离子相反,可以方便地在有机化合物中引入烷基负离子。其中由于Grignard在格式试剂方面的出色工作,获得了1912年度的Nobel化学奖。常见的应用例为:MgBr +CH2ClCH2苯基负离子苄基正离子在这个例子中,氯化苄作为卤代烷提供苄基正离子,溴苯的格氏试剂提供苯基负离子,二者可以高产率地偶合。还有叶力德试剂,也是使碳变成带负电荷的离子。如溴甲烷的磷叶力德试剂:CH3X + PPh3H2CPPh3H2C- P+ Ph
5、3得到的是烷基负离子。1. 2 端炔烃和羰基的相互转换大家都知道炔烃由于碳碳三键的sp杂化碳原子的电负性较大,使与三键直接相连的氢有一定的酸性,在碱性环境中失氢后具有亲核性。可是当它水合成羰基后,碳就成为有电正性的亲核底物。利用二者的相互转化,有时可以达到特殊的效果。如:HCCH2NH2Na液氨NaCCNa2CH3COCH3H3O+HOC(CH3)2CCC(CH3)2OHHgSO4H3O+HOC(CH3)2CH2COC(CH3)2OH脱水OO2 羰基化合物的极性转换羰基化合物在有机化合物中占有很大的比重,而且由于羰基结构特殊,反应众多,可以和很多官能团进行转化。大部分化合物要么自身包含羰基,要
6、么可以由羰基化合物转化而来,而且在合成中把目标产物修饰成羰基化合物也非常常见。2. 1 羰基碳原子的极性转换羰基碳原子一般缺电子,可以和亲核试剂反应。但是一般来说,羰基和亲核试剂加成反应后,其碳氧双键的结构也就不复存在了。若要求产物中仍然含有羰基不变的情况下接上一个新的基团,可以采取的一个办法就是使羰基碳本身成为一个亲核中心,与亲核底物反应,也就是使羰基碳进行极性转换。而在上面的例子中用的直接加给电子基团的方法在这里却行不通了。由于羰基碳为sp2杂化碳,在氧的作用下无论是双键的 电子还是碳原子本身都很难成为亲核试剂去进攻其他的底物,因此,其转换不但要增加羰基上的电子云密度,还要改变其杂化态。常
7、见的有和1, 32 丙二硫醇(HSCH2CH2CH2SH)反应1 。SHSH+RCHOSSHRn2BuLiSS-RE+SSERHgCl2,HgOCH3OH,H2OORE94 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.生成的缩硫醛的原羰基碳上的氢原子由于两个硫的吸电子作用呈酸性,在碱性环境下失氢后就带有负电荷,可以与亲电试剂E+发生反应。之后,在HgCl2, HgO的作用下又脱去HSCH2CH2CH2SH。在此反应中,总的结果是羰基上接了一个新的基团。特别是当E为烷基时就得到酮,这是一个由醛制酮的
8、好方法。安息香缩合在一定意义上也可认为是一个苯甲醛的羰基借助CN-能稳定负电荷的能力在碱性情况下失去碳上的氢,从而生成碳负离子,即发生极性转换2 :之后碳负离子进攻另外一分子苯甲醛的羰基碳,再脱去CN-而生成安息香。2. 2 碳的极性转换碳由于羰基的影响,其上的氢有部分酸性,在碱性环境中容易丢掉 氢,从而使 碳有亲核性。但是有时候却需要碳上接一个负性的基团,例如在开始提到的1, 42 二羰基化合物的合成,此时便只能考虑碳的极性转换了。只要在 碳上连上一个电负性较大的基团,就可以大大减少碳的电子云密度。接上的基团最好是好的离去基团,这样更容易受亲核试剂的进攻,与亲核试剂反应。要达到此目的,最容易
9、做到的便是使其 位卤代。在卤素原子吸电子作用的影响下,碳就成为一个亲核底物,即变成了一个潜在的正性基团。ROCH3+X2RCOCH2XNu-RCOCH2N这是比较经典的方法,目前比较新的极性转换试剂有烯酮二硫代缩醛单亚砜,转换过程如下1 :RCHOCH3SC- HS OCH3 RHCOHCHSCH3SOCH3RHCCSCH3SOCH3(1)Nu(2) ERHCNuCSCH3SOCH3EH3O+CH3CNRHCNuCEO烯酮二硫代缩醛单亚砜这里引入亲核试剂Nu的同时也引入了亲电试剂E。当E是质子时,相当于只引入了Nu。这里的极性转换并不严格,因为转换过后得到的目标分子除了加上去的亲核亲电试剂外,
10、还增加了一个碳。但是最后的结果却是转换过的 在 位引入了亲核试剂,在羰基碳上引入了亲电试剂。2. 3 碳的极性转换在普通的醛酮中,羰基对碳原子的影响已经很小,它到底是亲核还是亲电在实际反应中与普通烷烃类化合物相差不大,其电性表现得不是很突出。但是在 ,不饱和醛酮中,由于双键与羰基的共轭,可以发生Micheal加成。 碳一般作为Micheal加成中亲核试剂进攻的底05 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.物,可以方便地引入亲核基团。若要在位上引入亲电性的基团,如烷基正离子,极性转换就会发挥作
11、用。此时只要利用常规的Micheal加成反应,在 位引入苯磺酰基,在苯磺酰基吸电子的作用下,利用缩醛化作用或缩酮化作用保护酰基,在碱的作用下失去一个质子后就成为碳负离子,进而可在位引入各种不同的亲电试剂。如莲碱醛的合成1 :OOCHPhSO2CH2CHCH3 n2BuLiOOCHPhSO2CHLiCHCH3OOCHPhSO2CHLiCHCH3+ISO2PhOOCOH2. 4 碳的极性转换同样的道理,只有在,不饱和醛酮中,讨论 碳的极性转换才有意义。从其结构特点可以看出,此时碳可以认为是由经过插烯而来,因此其极性转换方式与碳有相似之处。具体过程是1 :RHCCHCHOCH3SCHSOCH3 RH
12、CC HC HOHC HSCH3 SOCH3RHCC HC HCSCH3 SOCH3(1)Nu(2) ERHCNuC HC HCE SCH3 SOCH3H3O+CH3CNRHCNuC HC HCEO3 氨基化合物的极性转换在经典有机化学中,胺类化合物由于氨基中N的电负性比较大和易生成吸电子性更强的铵离子而往往使与氨基相连的碳原子带正电,易与亲核试剂反应。但是由于氨基的离去性能并不好,其作为亲核底物的反应并不多,因此,胺类化合物的极性转换就显得尤为重要。由于胺类化合物不稳定,容易和极性转换试剂发生不可逆的反应,因此,其极性转换的方法对于一级、 二级、 三级胺各不相同。3. 1 仲胺由于仲胺的结构
13、特点,其极性转换的方法较少。一般是在N上直接连上一个基团X,此基团必须可以给碳足够的酸性,即吸电子作用足够强,容易与N结合和消去,而且本身不可以含有活泼氢。能满足这些条件的通常只有亚硝基。可以先对氨基进行亚硝基化,以增强 碳上氢的酸性,使之在碱的作用下成为亲核试剂,反应完成后再脱去亚硝基。由于仲胺存在两个 碳,在实际应用中,只有当可以使发生极性转换的碳定位或两个 对称时才有意义。实际应用的例子有毒芹碱的合成1 :NHNNOn2BuLiNNO-C3H7XNNOC3H7NHC3H7毒芹碱15 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. Al
14、l rights reserved.3. 2 伯胺由于伯胺与亚硝酸反应生成叠氮化合物,因此要采用一些特殊的方法。如先把氨基氧化为硝基,借助硝基的强吸电子作用,使 碳的电性变化,反应完成后,再把硝基还原。亦可采用下面的办法:先用温和的方法转化为异氰化物,在碱性环境中与亲电试剂反应后,再还原为胺。流程如下:3. 3 叔胺由于叔胺存在3个碳,其转换中心的定位比较困难。而且N被3个碳原子所饱和,没有活泼的氢直接与之相连,转换的方法很少。但对于某些特定的化合物,用特殊的方法却可以很好地达到目的。如下面的例子1:NMeN+H3CCH3N+H3C-CH2Ph2CON+H3C H2CCPh2OH极性转换的方法
15、很多,但是从其本质来看只有两大类:亲核试剂转化为亲电试剂和亲电试剂转化为亲核试剂。亲核试剂和亲电试剂的区别就在于中心原子电子云密度的差别。二者转化的根本就是改变中心原子的电子云密度。一般来说,可以直接使之联上一个吸电子基团或去掉一个供电子基团以加强其亲电性;反之,其亲核性可得到加强。在以上所列举的极性转换方法中,卤代烃转换为格氏试剂就是采取的这种方法。常见的给电子基团有:活泼金属和一些带负电荷的基团等;常见的吸电子基团有:硝基,卤素以及一些带正电的基团(包括质子)。再者,也可以在其上连上一个可以稳定正或负电荷的基团。对于可以稳定负电荷的基团,在加碱后,由于此时负电荷可以相对稳定的存在,碱可以夺取其质子,得到亲核的碳负离子,如羰基碳,仲胺的碳极性转换都是这种情况。总之,如果留意的话,就能发现很多有机反应都包含了极性转换的痕迹。如果注意从极性转换的角度去看待这些问题,那么对很多问题的理解会更深刻,在很多实际应用中也会更加得心应手。参 考 文 献1 俞凌肿,刘志昌.极性转换及其在有机合成中的应用.北京:科学出版社, 19912 邢其毅.徐瑞秋,周政,等.基础有机化学.第2版.北京:高等教育出版社, 199325 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
