在堿金屬/液氨作用下兩類還原反應(yīng)的機(jī)理探討

戴亞中 裴堅(jiān)

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 北京100871)

除金屬鈹以外的堿金屬和堿土金屬均可溶解在液氨中并形成一種藍(lán)色溶液。堿土金屬和堿金屬溶解于液氨中均會(huì)生成氨合金屬正離子(M(N)和氨合電子(e(N)。這種處在亞穩(wěn)狀態(tài)的溶液具有很強(qiáng)的還原性(e(NH3的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為-2.86V)。但是，這種溶液會(huì)逐漸分解，產(chǎn)生金屬氨基化物和氫氣。在低溫條件下，分解反應(yīng)的速率比較緩慢;但在有過渡金屬鹽催化時(shí)，分解反應(yīng)會(huì)加速進(jìn)行。這種具有強(qiáng)還原性的堿金屬/液氨溶液在有機(jī)合成中得到廣泛的運(yùn)用，主要包括兩類還原反應(yīng):炔烴被還原成烯烴的反應(yīng)和Birch還原反應(yīng)，一般認(rèn)為它們?cè)诜磻?yīng)過程中都生成了自由基負(fù)離子中間體。我們將在本文中對(duì)它們的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步探討。

1 堿金屬/液氨下炔烴的還原反應(yīng)

炔烴用堿金屬和液氨還原生成烯烴的反應(yīng)，是有機(jī)化學(xué)中合成E型烯烴衍生物的經(jīng)典方法之一。例如在圖1中，2-丁炔可以通過此還原反應(yīng)生成E型2-丁烯［1］:

圖1 2-丁炔用鈉和液氨還原生成E型2-丁烯

反應(yīng)的過程如圖2所示:首先是炔烴分子(1)中的碳碳三鍵從液氨中得到一個(gè)氨合溶劑化電子生成烯基負(fù)離子自由基(2)。烯基負(fù)離子自由基(2)是一種很強(qiáng)的堿，能夠從液氨中奪取一個(gè)質(zhì)子生成E型烯基自由基(3)，該烯基自由基繼續(xù)從堿金屬處得到一個(gè)電子生成烯基碳負(fù)離子(4)后，4再?gòu)囊喊敝袏Z取一個(gè)質(zhì)子生成最終產(chǎn)物E型烯烴(5)［1］。

圖2 炔烴用鈉和液氨還原的機(jī)理

產(chǎn)物烯烴的立體構(gòu)型是在化合物1轉(zhuǎn)化為3的過程中建立的。在反應(yīng)過程中，首先生成了烯基自由基負(fù)離子，然后2得到質(zhì)子后生成烯基自由基(3)，接著生成空阻較小的反式烯基負(fù)離子(4)，因此反應(yīng)產(chǎn)物的構(gòu)型為E型。通過ESR(電子自旋共振譜)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)烯自由基的E/Z構(gòu)型的翻轉(zhuǎn)能壘很低，約為12kJ/mol［2］，因此烯基自由基可以進(jìn)行快速的順式和反式之間的平衡，但是烯基負(fù)離子的順式和反式的轉(zhuǎn)換要慢得多。因此，更為穩(wěn)定的反式烯基負(fù)離子就比順式的烯基負(fù)離子更容易生成，它在形成平衡前就被質(zhì)子化生成E型烯烴。該反應(yīng)條件中溶劑為液氨，是一種強(qiáng)極性的溶劑，對(duì)反應(yīng)中間體(2和3)有強(qiáng)的溶劑化作用，可以進(jìn)一步穩(wěn)定反應(yīng)中間體，使這些中間體的構(gòu)型不容易改變。

此外，由于烷基自由基負(fù)離子較乙烯基自由基負(fù)離子穩(wěn)定性差，因此，得到的烯烴難于在此條件下繼續(xù)被還原成烷烴。末端炔烴不適用于此條件下的還原，因?yàn)槟┒巳矡N的質(zhì)子有著強(qiáng)的酸性，在此條件下優(yōu)先發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，生成炔烴負(fù)離子，由于負(fù)電荷之間的互相排斥作用，炔烴負(fù)離子不易繼續(xù)從溶液中得到電子而被還原。

綜上所述，炔烴在堿金屬和液氨還原條件下的反應(yīng)機(jī)理主要是從中間體(2)開始，其新形成的雙鍵構(gòu)型主要為反式，最終決定了產(chǎn)物為E型烯烴。烯烴在此條件下不會(huì)繼續(xù)被還原至烷烴。

2 Birch還原反應(yīng)

Birch還原反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中一個(gè)重要的人名反應(yīng)，一般認(rèn)為是指芳香族化合物在液氨和醇的混合液中被堿金屬(鈉、鋰或鉀)通過1，4-還原至非共軛的1，4-環(huán)己二烯的反應(yīng)(圖3)。雜環(huán)化合物(如吡啶、吡咯或呋喃類衍生物)也可以被還原。使用的醇通常是乙醇或叔丁醇。醇此時(shí)作為質(zhì)子供體，為反應(yīng)提供氫的來源。還原產(chǎn)物1，4-環(huán)己二烯中的孤立碳碳雙鍵在這個(gè)條件下不會(huì)繼續(xù)被還原至飽和烷烴。此外，Birch還原反應(yīng)也有一些缺陷:富電子體系的雜環(huán)芳烴需要至少有一個(gè)吸電子取代基存在才能被還原。例如呋喃、噻吩不能被還原，只有其環(huán)上有吸電子取代基存在的條件下時(shí)才能被還原。

圖3 Birch還原

在《基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)》(第3版)中，對(duì)Birch反應(yīng)做出了如下說明:“給電子基團(tuán)一般導(dǎo)致還原速率減慢;吸電子基團(tuán)使得還原速率加快，而且所得產(chǎn)物取代基團(tuán)位于被還原的碳原子上”［1］，下面對(duì)它的還原位置的選擇性和反應(yīng)的決速步進(jìn)行探討和理清。

研究表明，與炔烴被還原時(shí)一樣，由于堿金屬溶解于液氨，所得的溶液含有強(qiáng)還原性的溶劑化電子。底物中的苯環(huán)可以接受電子，形成的自由基負(fù)離子接著從溶劑中得到質(zhì)子，不可逆地形成環(huán)己二烯自由基，環(huán)己二烯自由基再接受一個(gè)電子生成環(huán)己二烯負(fù)離子，最后環(huán)己二烯負(fù)離子的質(zhì)子化過程發(fā)生在中心碳原子上，形成非共軛雙烯——1，4-環(huán)己二烯。Birch A J等人通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)己二烯負(fù)離子中間體HOMO的最大軌道系數(shù)在中間碳原子上，氫離子優(yōu)先與位于中間的碳原子結(jié)合，生成1，4-環(huán)己雙烯。因此Birch還原往往得到熱力學(xué)不穩(wěn)定的非共軛1，4-加成產(chǎn)物。而不是熱力學(xué)穩(wěn)定的1，3-加成產(chǎn)物［3］。此外，依據(jù)芳香族底物上取代基的位置，電子加成的位置也會(huì)有所不同。因此，Birch還原可能的機(jī)理有鄰位進(jìn)攻(ORTHO)、間位進(jìn)攻(META)以及對(duì)位進(jìn)攻(PARA)3種［4］(圖4)。

圖4 Birch還原的可能途徑示意圖

總的來說，芳香化合物中的苯環(huán)通過Birch還原生成1，4-環(huán)己二烯的反應(yīng)選擇性主要取決于苯環(huán)上取代基的性質(zhì)。當(dāng)取代基為吸電子基時(shí)，往往采取PARA途徑，此時(shí)反應(yīng)在能量上更為有利，中間體能通過共振方式穩(wěn)定碳負(fù)離子;當(dāng)取代基是供電子基時(shí)，采取ORTHO或者M(jìn)ETA途徑對(duì)于反應(yīng)的進(jìn)行更為有利。如圖5所示，Zimmerman H E課題組以甲基苯和甲氧基苯為例，通過計(jì)算，比較了反應(yīng)中間體自由基的能量，發(fā)現(xiàn)盡管ORTHO和META兩種反應(yīng)方式的最終產(chǎn)物相同，但是計(jì)算結(jié)果表明ORTHO途徑的自由基中間體更為穩(wěn)定［5］。Zimmerman H E課題組在還原甲氧基苯時(shí)，利用氘標(biāo)記的特丁醇提供質(zhì)子，通過測(cè)定反應(yīng)產(chǎn)物氫原子同位素的位置及比例，以實(shí)驗(yàn)證明了甲氧基苯等富電子體系還原時(shí)以O(shè)RTHO方式為主［5］。

從Birch還原反應(yīng)結(jié)果上看，相當(dāng)于電子和R+(R可以是氫以外的物種)對(duì)苯環(huán)進(jìn)行了1，4-加成(圖6)。吸電子基團(tuán)有利于電子對(duì)苯環(huán)的加成，因此能夠加速反應(yīng)的進(jìn)行;給電子取代基則相反。當(dāng)苯環(huán)上同時(shí)有給電子基團(tuán)和吸電子基團(tuán)的時(shí)候，Birch還原的選擇性主要取決于吸電子基團(tuán)［5］。

圖5 自由基中間體的能量比較計(jì)算基組為B3LYP/6-3G*

圖6 多取代苯進(jìn)行Birch還原時(shí)的反應(yīng)選擇性

Krapcho小組進(jìn)行了測(cè)定Birch還原反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)的一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Birch還原反應(yīng)在化學(xué)動(dòng)力學(xué)上為三級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速度正比于芳香底物的濃度、溶劑化電子的濃度以及作為氫源的醇的濃度。通過動(dòng)力學(xué)擬合，Krapcho等人認(rèn)為圖3中第二步，即環(huán)己二烯負(fù)離子與醇生成環(huán)己二烯自由基的反應(yīng)為Birch還原反應(yīng)的決速步。芳香體系上的吸電子取代基會(huì)有利于環(huán)己二烯負(fù)離子的生成，因此能提高Birch還原的反應(yīng)速率。對(duì)于富電子的吡咯、噻吩等芳香化合物以及給電子基團(tuán)取代的苯衍生物，如果芳環(huán)上沒有吸電子取代基的話，環(huán)己二烯負(fù)離子不易生成，此時(shí)Birch還原反應(yīng)速度很慢［6］。

考慮到Birch還原會(huì)生成一個(gè)負(fù)離子中間體，可以被一個(gè)合適的親電試劑捕獲，科學(xué)家在Birch還原的基礎(chǔ)上，發(fā)展了Birch烷基化反應(yīng):在鹵代烴的存在下，在Birch還原過程中得到的碳負(fù)離子可作為親核試劑，經(jīng)親核取代反應(yīng)生成新的碳碳鍵(圖7)。

圖7 Birch烷基化反應(yīng)

Birch還原從反應(yīng)過程中可以理解為芳環(huán)的1，4-還原，其產(chǎn)物為非共軛的1，4-環(huán)己二烯，孤立碳碳雙鍵不會(huì)被還原成飽和烷烴。這是因?yàn)橐蚁┑淖畹臀凑加熊壍?LUMO)能級(jí)為-1.5eV，e(NH3)x-的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為-2.86 V，生成的乙烷負(fù)離子能量很高，不穩(wěn)定，因此非共軛的雙鍵不會(huì)被液氨中的溶劑化電子還原［7-8］。如果非芳香性的有機(jī)化合物L(fēng)UMO能級(jí)足夠低的話，它也可以在Birch還原的條件下被還原。Wooster C B與Godfrey K L等人發(fā)現(xiàn)對(duì)于共軛烯烴、α，β-不飽和羰基化合物、雙取代炔烴、共軛炔烴和苯乙烯等體系，由于有共軛體系能穩(wěn)定負(fù)電荷，它們也能夠在液氨中被堿金屬還原(圖8)［9］，這些反應(yīng)已在有機(jī)合成中得到廣泛的運(yùn)用和推廣［10］。

在圖8中的α，β-不飽和羰基化合物的烷基化反應(yīng)過程中，羥基與氨分子會(huì)形成氫鍵，導(dǎo)致氨上質(zhì)子定向從羥基方位附近被奪取;在后續(xù)的烷基化過程中，烯醇負(fù)離子從位阻小的方位進(jìn)攻鹵代烷，反應(yīng)有很高的立體選擇性(圖9)。

圖8 Birch還原實(shí)例

圖9 Birch還原實(shí)例(圖8(a))的反應(yīng)構(gòu)象

3 總結(jié)

堿金屬還原反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)中應(yīng)用廣泛，本文結(jié)合該反應(yīng)在《基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)》［1］上的部分涉及內(nèi)容(炔烴還原和Birch還原)，調(diào)研文獻(xiàn)，對(duì)它的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了討論，總結(jié)了這些反應(yīng)生成特定產(chǎn)物的原因。

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