糖類化合物的端基效應(yīng)

呂萍 王彥廣

(浙江大學(xué)化學(xué)系 浙江杭州 310027)

端基效應(yīng)也叫異頭碳效應(yīng)(anomeric effect)，是糖化學(xué)中常見的一種作用，而且是一類非常有趣和重要的立體化學(xué)現(xiàn)象。然而，由于端基效應(yīng)與取代環(huán)己烷的優(yōu)勢構(gòu)象分析的結(jié)果相矛盾，從而導(dǎo)致這方面的知識成為基礎(chǔ)有機化學(xué)教學(xué)中的一個難點。為此，本文就端基效應(yīng)的產(chǎn)生、理論解釋及相關(guān)應(yīng)用等進行簡要介紹，以期為相關(guān)教學(xué)和學(xué)生自學(xué)提供幫助。

1 問題的提出

許多有機化學(xué)教材在描述單取代環(huán)己烷穩(wěn)定構(gòu)象時[1-3]，認(rèn)為取代基處于平伏鍵(e鍵)的構(gòu)象1是優(yōu)勢構(gòu)象，而構(gòu)象2由于存在兩個1,3-直立鍵(a鍵)位阻(1,3-直立鍵的排斥力)為非優(yōu)勢構(gòu)象(圖1)。

圖1 單取代環(huán)己烷的兩種構(gòu)象

1,3-直立鍵位阻的大小取決于基團的種類，如表1所示。根據(jù)ΔE=-RTlnK，其中ΔE是兩種構(gòu)象(1和2)的能量差值，R是氣體常數(shù)(8.315J/(K·mol))，T是絕對溫度，我們可以求出平衡狀態(tài)時兩種構(gòu)象(1和2)的百分比K，結(jié)果列于表1。可以看出，取代基的位阻越大，優(yōu)勢構(gòu)象(1)所占的份額也越大。當(dāng)取代基為叔丁基時，99.99%的1-叔丁基環(huán)己烷以優(yōu)勢構(gòu)象(1)的形式存在，也就是說叔丁基處于直立鍵的概率僅為0.01%。

表1 1,3-直立鍵位阻及構(gòu)象1和2在平衡狀態(tài)時的百分比

對于與環(huán)己烷結(jié)構(gòu)相似的四氫吡喃環(huán)，這一規(guī)則仍然適合，即2-烷基四氫吡喃的優(yōu)勢構(gòu)象是3，而不是4(圖2)。

圖2 2-烷基四氫吡喃的兩種構(gòu)象

對于葡萄糖而言，通過D-葡萄糖開鏈形式，β-D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖達(dá)到平衡，β-D-吡喃葡萄糖比較穩(wěn)定，占62.6%；α-D-吡喃葡萄糖則較不穩(wěn)定，占37.3%；開鏈形式僅占0.002%(圖3)。β-D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖互為非對映異構(gòu)體。由于不同的手性來自于1號碳，故在糖化學(xué)中稱為端基異構(gòu)體。

圖3 α-D-吡喃葡萄糖和β-D-吡喃葡萄糖構(gòu)象

D-甘露糖是D-葡萄糖的C-2差向異構(gòu)體，當(dāng)它形成吡喃環(huán)時，人們發(fā)現(xiàn)α-D-吡喃甘露糖比β-D-吡喃甘露糖穩(wěn)定，盡管α-D-吡喃甘露糖中有兩個羥基占據(jù)直立鍵，而β-D-吡喃甘露糖只有一個，但α-D-吡喃甘露糖還是占68%，為優(yōu)勢構(gòu)象(圖4)[5]。這一現(xiàn)象稱為糖的端基效應(yīng)。

圖4 α-D-吡喃甘露糖和β-D-吡喃甘露糖構(gòu)象

并非只有D-吡喃甘露糖具有端基效應(yīng)。當(dāng)人們用醇和質(zhì)子酸處理β-D-吡喃葡萄糖時，得到兩種吡喃葡萄糖苷，即α-D-甲基吡喃葡萄糖苷和β-D-甲基吡喃葡萄糖苷(圖5)。有意思的是，α-D-甲基吡喃葡萄糖苷占66%，而β-D-甲基吡喃葡萄糖苷占33%，用醇和質(zhì)子酸處理α-D-吡喃葡萄糖時得到相同結(jié)果。

圖5 D-甲基吡喃葡萄糖苷的形成

對于2-雜原子取代的D-吡喃葡萄糖，當(dāng)端基上的取代基電負(fù)性增大時，端基效應(yīng)更加明顯(圖6)。端基上的取代基由乙酰氧基改變?yōu)槁葧r，取代基占直立鍵構(gòu)象的比例由86%增大到94%。

圖6 2-雜原子取代吡喃葡萄糖構(gòu)象組成

糖的端基效應(yīng)可以衍生到其他2-雜原子取代的六元環(huán)體系(圖7)，雜原子(X，Y)可以是氮、氧、硫、氟、氯、溴、碘。在兩種可能的構(gòu)象(5和6)中，構(gòu)象5為優(yōu)勢構(gòu)象。最常見的雜原子有硫、氧和氟。骨架如圖7中的7、8、9。

圖7 2-雜原子取代雜六元環(huán)的兩種構(gòu)象

在一些開鏈體系中也發(fā)現(xiàn)了端基效應(yīng)。含有Lp—X—C—Y鏈的化合物(Lp是X原子所帶的孤電子對)就屬于這種體系。例如，二甲氧基甲烷有兩種可能的構(gòu)象，鄰位交叉式和全交叉式，以鄰位交叉式為主(圖8)。

圖8 二甲氧基甲烷的兩種構(gòu)象

更有趣的是，端基效應(yīng)不僅與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與溶劑的極性、溫度、濃度等因素有關(guān)。通常，溶劑極性越小，端基效應(yīng)越強。與水相比，乙醇更能體現(xiàn)糖的端基效應(yīng)。溫度越低，端基效應(yīng)越強。如從冷水中結(jié)晶D-葡萄糖得到的是α-D-吡喃葡萄糖；而從熱水中結(jié)晶D-葡萄糖則得到β-D-吡喃葡萄糖。

為了探索端基效應(yīng)與溶劑極性的關(guān)系，Lemieux等人[6]合成了4,4,5,5-四氘代-2-甲氧基四氫吡喃(圖9)，研究了該化合物在不同氘代溶劑中的氫譜，從而測定出甲氧基占直立鍵時構(gòu)象(10)和甲氧基占平伏鍵時構(gòu)象(11)的百分比(表2)。在四氯化碳中，該化合物的端基效應(yīng)非常明顯(構(gòu)象10占83%);而在水溶液中，兩種構(gòu)象所占的比例差不多。

圖9 4,4,5,5-四氘代-2-甲氧基四氫吡喃的兩種構(gòu)象

表2 兩種構(gòu)象在不同氘代溶劑中的百分比

2 端基效應(yīng)的解釋

從2-雜原子取代雜六元環(huán)(圖7)的Newman投影式(圖10)可以看出，構(gòu)象5中存在兩個由鄰位交叉引起的排斥力，而構(gòu)象6只有一個，由此知構(gòu)象5存在較大的立體位阻。那么構(gòu)象5的相對穩(wěn)定性應(yīng)該如何解釋？是否構(gòu)象5中還存在其他的穩(wěn)定化能？抑或是構(gòu)象6中存在其他的排斥力(即去穩(wěn)定化能)？

圖10 構(gòu)象5和構(gòu)象6的Newman投影式

2.1 靜電排斥力

最直接的解釋是靜電排斥力。如圖11所示，雖然構(gòu)象5中存在兩個鄰位交叉所引起的立體位阻，但構(gòu)象6中存在兩個由孤對電子鄰位交叉引起的靜電排斥[7]，這種靜電排斥和立體位阻共存于一個分子中，決定著分子的優(yōu)勢構(gòu)象。

圖11 構(gòu)象5和構(gòu)象6中的立體位阻和靜電排斥力競爭

2.2 偶極矩

端基效應(yīng)可以用分子偶極矩進行解釋。圖12顯示了構(gòu)象12和構(gòu)象13中的3個C—O單鍵的偶極矩方向。在構(gòu)象12中，偶極矩為相反的方向，電子云密度被整個體系分散并穩(wěn)定；與構(gòu)象13相比，構(gòu)象12具有更小的分子偶極矩，在非極性溶劑中相對比較穩(wěn)定，即：溶劑極性越小，端基效應(yīng)越強。

圖12 構(gòu)象12和構(gòu)象13的偶極矩

2.3 分子軌道理論

在順-2,3-二氯-1,4-二氧六環(huán)(圖13)中，連有直立鍵氯的C—O鍵長為1.39?，連有平伏鍵氯的C—O鍵長為1.43?[8]，顯然，連有直立鍵氯的C—O鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，而連有平伏鍵氯的C—O鍵是經(jīng)典的C—O單鍵，前者比后者更穩(wěn)定。連有氟的C—O也有這樣的特性，從圖13可以看出，連有直立鍵氟的C—O鍵鍵長(1.382?)比連有平伏鍵氟的C—O鍵鍵長(1.406?)短，而且處于直立鍵的C—F鍵鍵長(1.397?)比處于平伏鍵的C—F鍵鍵長(1.367?)長[9]。

圖13 連有直立鍵和平伏鍵雜原子的C—O鍵長比較

與連有平伏鍵氯的C—O相比，連有直立鍵氯的C—O鍵具有一定的穩(wěn)定性，這是由于氧原子上的孤對電子可以反充到C—Cl的反鍵軌道，這種σ*-p超共軛效應(yīng)使C—O鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)(圖14)，同時，C—X鍵的鍵長增長，這一假說稱為反式共平面孤對電子假說(antiperiplanar lone pair hypothesis,ALPH)。

圖14 ALPH假說示意圖

圖15 氘代三丁基錫和2-鹵代-四乙?；?D-吡喃葡萄糖的反應(yīng)

3 端基效應(yīng)的應(yīng)用

3.1 關(guān)于有機反應(yīng)立體選擇性的合理解釋

1,9-二羥基-壬酮在酸催化下脫水成縮酮(圖16)[11-12]，該縮酮可以有4種立體異構(gòu)體(14～17)。其中異構(gòu)體14有兩個端基效應(yīng)，異構(gòu)體15和異構(gòu)體17各有一個端基效應(yīng)，異構(gòu)體16沒有端基效應(yīng)，產(chǎn)物以14為主。

圖16 端基效應(yīng)對螺縮酮的選擇性控制

芳醛可與二烯發(fā)生氧雜Diels-Alder反應(yīng)，生成的環(huán)己烯基硅醚分別在堿性和酸性條件下失去三甲基硅基，得到兩種不同的端基異構(gòu)體產(chǎn)物(圖17)[13]。在堿性條件下，甲氧基親核進攻硅，離去的烯醇負(fù)離子發(fā)生質(zhì)子交換生成產(chǎn)物，端基碳原子的手性保持不變。在酸性條件下，當(dāng)烯基硅醚醇解時，縮醛通過開鏈轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的有端基效應(yīng)的縮醛。

圖17 端基效應(yīng)對烯基硅醚酸性水解的選擇性控制

分子內(nèi)烯烴的氧鈀化反應(yīng)受到端基效應(yīng)的控制，生成的中間體用CO/甲醇體系捕獲，得到以α-端基異構(gòu)體為主的產(chǎn)物，甲氧基和氫為順式。作為對比，當(dāng)甲氧基改為甲基時，在相同的反應(yīng)條件下，端基效應(yīng)不可能存在，因此得到的產(chǎn)物沒有非對映選擇性(圖18)[14]。

圖18 端基效應(yīng)對氧鈀化反應(yīng)的選擇性控制

3.2 應(yīng)用于有機合成

端基效應(yīng)控制著產(chǎn)物的立體化學(xué)，在有機合成，尤其是全合成領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。如spirastrellolide A的合成，合成的關(guān)鍵是中間體螺縮酮(18)的立體選擇性合成。Hsung等巧妙地運用了端基效應(yīng)，控制了烯烴復(fù)分解反應(yīng)的立體化學(xué)[15]，合成了有效中間體18(圖19)。

圖19 端基效應(yīng)對螺縮酮形成的選擇性控制

另一個有效控制螺縮酮立體選擇性合成的例子也是通過端基效應(yīng)實現(xiàn)的[16]。對化合物19實施Pauson-Khand環(huán)加成，得到產(chǎn)物20，結(jié)構(gòu)中帶兩個端基效應(yīng)，兩個氫成反式；當(dāng)對化合物21實施Pauson-Khand環(huán)加成時，為了滿足產(chǎn)物22有兩個端基效應(yīng)，兩個氫成順式，此時乙酰氧基(OAc)在直立鍵上，產(chǎn)物20和22的結(jié)構(gòu)均經(jīng)過單晶衍射得以證明(圖20)。

圖20 端基效應(yīng)對Pauson-Khand環(huán)加成的選擇性控制

當(dāng)用R基團(甲基或乙基)代替氫時，端基效應(yīng)依然存在，如化合物23和25經(jīng)Pauson-Khand環(huán)加成得到立體選擇性產(chǎn)物24和26。

圖21 端基效應(yīng)對Pauson-Khand環(huán)加成的選擇性控制

化合物22中的乙酰氧基(OAc)占據(jù)直立鍵，當(dāng)乙酰氧基(OAc)分別用三乙基硅基(TES)、叔丁基二苯基硅基(TBS)和叔丁基二苯基硅基(TBDPS)代替時(圖22)，隨著立體位阻增大，預(yù)期的產(chǎn)物28的比例逐漸變小；當(dāng)取代基是OTBDPS時，以反式的產(chǎn)物29為主，結(jié)構(gòu)中的兩個C—O單鍵均為直立鍵，沒有端基效應(yīng)，即端基效應(yīng)被空間效應(yīng)所克服。

圖22 空間效應(yīng)對Pauson-Khand環(huán)加成的選擇性控制

4 結(jié)論

端基效應(yīng)是一種很有趣的立體化學(xué)現(xiàn)象，雖然不符合取代環(huán)己烷的穩(wěn)定構(gòu)象的一般規(guī)律，但在糖化學(xué)中比較常見，而且在有機合成中已得到廣泛應(yīng)用，特別是已被成功地用于不少有機反應(yīng)的立體選擇性控制。用靜電排斥作用、偶極矩作用以及分子軌道理論能夠從不同的角度對端基效應(yīng)做出合理的解釋。相信本文所介紹的端基效應(yīng)現(xiàn)象有助于豐富基礎(chǔ)有機化學(xué)中立體化學(xué)、碳水化合物化學(xué)等方面的教學(xué)內(nèi)容。

參 考 文 獻(xiàn)

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