溴與不同取代C＝C雙鍵反應(yīng)的機(jī)理和立體選擇性

許家喜，麻遠(yuǎn)

1北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100029

2清華大學(xué)化學(xué)系，北京 100084

溴與C＝C雙鍵的反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中一類常見(jiàn)的基元反應(yīng)。既存在于通過(guò)溴與烯烴加成來(lái)制備鄰二溴代烷，也存在于酮和羧酸α-位溴化反應(yīng)的機(jī)理中[1,2]。酮和羧酸的α-位溴化是先形成烯醇或者烯醇負(fù)離子，然后溴與烯醇或者烯醇負(fù)離子的C＝C雙鍵反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的[1,2]。這兩類反應(yīng)雖然都包括溴對(duì)C＝C雙鍵的反應(yīng)，但是，前者是親電加成先形成三元環(huán)溴正離子中間體，然后脂肪烯烴形成的中間體經(jīng)過(guò)溴負(fù)離子親核開(kāi)環(huán)，得到立體專一的反式鄰二溴代烷；芳基烯烴形成的中間體還會(huì)經(jīng)過(guò)先開(kāi)環(huán)形成芳甲位碳正離子，再與溴負(fù)離子結(jié)合，形成順式和反式鄰二溴代烷的混合物。而后者卻是親電取代形成質(zhì)子化的α-溴代羰基化合物(酸性條件下)或者α-溴代酮(堿性條件下)。這種同一類型的基元反應(yīng)，卻經(jīng)過(guò)不同的反應(yīng)機(jī)理，常常是教學(xué)難點(diǎn)，令學(xué)生感到困惑。而現(xiàn)行的教材中都沒(méi)有對(duì)二者的區(qū)別給出合理的解釋，只是各講各的機(jī)理，互不相干?；瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就是反應(yīng)物軌道間的相互作用。為了解釋這些問(wèn)題，提高學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中，通過(guò)引入分子軌道解釋反應(yīng)機(jī)理[3-7]，來(lái)說(shuō)明這兩類機(jī)理的差別。既加深了學(xué)生對(duì)反應(yīng)機(jī)理的理解，也提高了學(xué)生利用分子軌道相互作用解釋有機(jī)反應(yīng)選擇性的能力。通過(guò)對(duì)這兩類底物同一個(gè)基元反應(yīng)的分析，給出了判斷溴與C＝C雙鍵反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)物立體選擇性的方法，便于教師講授和學(xué)生理解。

1 溴與烯烴的親電加成反應(yīng)

溴對(duì)簡(jiǎn)單烯烴的親電加成是極化后的溴分子與烯烴的C＝C雙鍵經(jīng)過(guò)三元環(huán)溴正離子中間體，然后溴負(fù)離子再對(duì)該三元環(huán)親核開(kāi)環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于脂肪烯烴，該反應(yīng)是立體專一的反式加成反應(yīng)，如果C＝C雙鍵上同一個(gè)碳原子上的取代基不同，就會(huì)生成一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體[1,2](圖1)。

圖1 溴與烯烴的親電加成機(jī)理(a)及反應(yīng)的分子軌道(b)

從分子軌道來(lái)看，反應(yīng)過(guò)程中，溴對(duì)簡(jiǎn)單烯烴的親電加成就是烯烴C＝C雙鍵的π鍵(HOMO軌道)與溴分子的Br―Br反鍵軌道(σ*Br―Br，LUMO軌道)相互作用的結(jié)果。烯烴C＝C雙鍵的π鍵是由兩個(gè)波相相同的碳原子p軌道相互作用形成，其中間位置波相疊加，軌道系數(shù)最大，因此，溴分子的LUMO軌道就會(huì)與C＝C雙鍵的π軌道中間重疊，這樣可以實(shí)現(xiàn)軌道的最大重疊，最有利。因此，會(huì)形成三元環(huán)溴正離子中間體。所以，溴與簡(jiǎn)單烯烴的親電加成反應(yīng)都經(jīng)過(guò)三元環(huán)溴正離子中間體。隨后，溴負(fù)離子對(duì)三元環(huán)溴正離子中間體進(jìn)行親核開(kāi)環(huán)，溴負(fù)離子(HOMO軌道)進(jìn)攻三元環(huán)的C―Br反鍵軌道(σ*C―Br，LUMO軌道)，得到反式加成產(chǎn)物(圖1)[3]。

與脂肪烯烴不同，芳基烯烴與溴的親電加成不是立體專一的[8]。溴對(duì)芳基烯烴的親電加成也是極化后的溴分子與烯烴的C＝C雙鍵先形成三元環(huán)溴正離子中間體，溴負(fù)離子對(duì)部分三元環(huán)溴正離子親核開(kāi)環(huán)得到立體專一反式加成產(chǎn)物。但是，由于芳基對(duì)碳正離子的穩(wěn)定作用，部分三元環(huán)溴正離子會(huì)發(fā)生開(kāi)環(huán)形成芳甲位碳正離子，溴負(fù)離子可以從碳正離子的上下分別進(jìn)攻碳正離子，分別得到順式和反式加成產(chǎn)物。如果C＝C雙鍵上同一個(gè)碳原子上的取代基不同，就會(huì)生成一對(duì)非對(duì)映異構(gòu)體[1,2]。(Z)-1-苯基丙烯的順式加成產(chǎn)物比(E)-1-苯基丙烯的高，是由于其形成碳正離子后C―C單鍵旋轉(zhuǎn)，形成位阻小的苯基和甲基接近對(duì)位交叉構(gòu)象的穩(wěn)定碳正離子，然后再與溴負(fù)離子反應(yīng)造成的(圖2)。

從分子軌道來(lái)看，是芳基的HOMO軌道與芳甲位C―Br反鍵軌道(σ*C―Br，LUMO軌道)作用，導(dǎo)致三元環(huán)開(kāi)環(huán)，形成穩(wěn)定的芳甲基碳正離子。然后，溴負(fù)離子(HOMO軌道)從上下分別進(jìn)攻碳正離子的空p軌道(LUMO軌道)，得到順式和反式加成產(chǎn)物(圖2)。

圖2 溴與芳基烯烴的親電加成(a)、機(jī)理(b)及反應(yīng)的分子軌道(c)

2 酮和羧酸α-位溴化反應(yīng)中的溴與C＝C雙鍵反應(yīng)

酮的α-位溴化反應(yīng)是酮首先在酸或堿條件下生成烯醇或者烯醇負(fù)離子，然后極化后的溴分子與烯醇親電取代形成質(zhì)子化的α-溴代酮，與烯醇負(fù)離子親電取代形成α-溴代酮，質(zhì)子化的α-溴代酮進(jìn)一步脫掉質(zhì)子得到α-溴代酮(圖3)[1,2]。

羧酸的α-位溴化反應(yīng)，即Hell-Volhard-Zelinsky反應(yīng)，通常是三溴化磷先把羧酸轉(zhuǎn)化成酰溴，酰溴烯醇化，然后極化后的溴分子與生成的烯醇親電取代形成質(zhì)子化的α-溴代酰溴，再進(jìn)一步與反應(yīng)體系中的羧酸反應(yīng)，形成質(zhì)子化的混合酸酐，溴負(fù)離子與其反應(yīng)后得到α-溴代羧酸，并形成新的酰溴。因此，該反應(yīng)只需要催化量的三溴化磷和等量的溴就可以實(shí)現(xiàn)羧酸的α-位溴化(圖3)[1,2]。酰氯和混合酸酐也可以發(fā)生與酰溴相似的α-位溴化反應(yīng)。

圖3 酮(a)和羧酸(b) α-位溴化的反應(yīng)機(jī)理，共軛體系的分子軌道(c)及溴與烯醇C＝C鍵反應(yīng)一步的分子軌道(d)

雖然溴與烯醇和烯醇負(fù)離子中C＝C雙鍵的反應(yīng)與溴和烯烴C＝C雙鍵的反應(yīng)是相似的基元反應(yīng)，但是，溴與烯醇和烯醇負(fù)離子的反應(yīng)都沒(méi)有經(jīng)歷三元環(huán)溴正離子中間體。烯醇和烯醇負(fù)離子可以看成是羥基和氧負(fù)離子取代的烯烴，酰溴形成的烯醇是羥基和溴雙取代的烯烴，為什么這些取代的烯烴與溴加成都沒(méi)有經(jīng)歷三元環(huán)溴正離子中間體呢？仔細(xì)分析它們的共軛體系，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，與C＝C雙鍵相連的氧原子的p軌道參與了與C＝C雙鍵的共軛，形成了與烯丙基負(fù)離子相似的共軛體系(這里采用的是簡(jiǎn)化了的烯醇軌道示意圖)。在該共軛體系中，ψ2是其HOMO軌道，溴分子的Br―Br反鍵軌道(σ*Br―Br，LUMO軌道)與共軛體系的HOMO軌道(ψ2)發(fā)生作用，溴的σ*Br―Br軌道只有與軌道系數(shù)大的烯醇β-碳原子上的p軌道重疊，才能實(shí)現(xiàn)最大的有效重疊，這兩個(gè)軌道間的相互作用是不會(huì)形成三元環(huán)溴正離子中間體的(圖2)[3]。這就是為什么在酮和羧酸α-位溴化中的溴與烯醇或烯醇負(fù)離子中C＝C雙鍵的反應(yīng)都不會(huì)經(jīng)過(guò)三元環(huán)正離子中間體的原因。

3 溴與烯醇醚和烯胺的加成反應(yīng)

烯醇醚是烴氧基取代的烯烴，與烯醇或者烯醇負(fù)離子的電子結(jié)構(gòu)相似，也是共軛體系。因此，溴與烯醇醚親電加成的機(jī)理應(yīng)該與溴與烯醇或者烯醇負(fù)離子的C＝C雙鍵的親電加成機(jī)理相似。眾所周知，溴與環(huán)己烯加成形成立體專一的反式-1,2-二溴環(huán)己烷。溴與環(huán)己烯的含氧類似物二氫吡喃反應(yīng)時(shí)，的確沒(méi)有得到專一的反式鄰二溴加成產(chǎn)物，而是生成了反式和順式-二溴加成產(chǎn)物的混合物。溴正離子先與二氫吡喃共軛體系的HOMO軌道反應(yīng)，生成鄰溴代的氧雜環(huán)己烯氧鎓離子，溴負(fù)離子進(jìn)攻與氧鎓離子相連的不飽和碳原子，得到二溴代產(chǎn)物，由于溴負(fù)離子可以分別從C＝O雙鍵的兩側(cè)進(jìn)攻，因此得到反式-和順式-二溴代混合物，并且，對(duì)于沒(méi)有取代的二氫吡喃，位阻小的反式產(chǎn)物為主要加成產(chǎn)物(圖4)。

圖4 溴與二氫吡喃的親電加成反應(yīng)(a)及其機(jī)理(b)

對(duì)于取代的二氫吡喃，取代基的位置和構(gòu)型明顯影響產(chǎn)物的立體化學(xué)(圖5)。(R)-2-取代二氫吡喃主要得到反式加成產(chǎn)物。因?yàn)?R)-2-取代二氫吡喃主要以其取代基處于平伏鍵的構(gòu)象存在，其與溴加成，主要產(chǎn)物為反式產(chǎn)物。而少量的取代基處于直立鍵構(gòu)象的原料生成的氧鎓鹽中間體會(huì)發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)化，再與溴負(fù)離子反應(yīng)，生成順式產(chǎn)物為次要產(chǎn)物。因?yàn)殇遑?fù)離子直接進(jìn)攻氧鎓鹽中間體時(shí)，溴負(fù)離子從取代基所在一側(cè)接近，位阻較大。構(gòu)象轉(zhuǎn)化后，溴負(fù)離子從取代基的另一側(cè)接近，位阻小，因此生成順式產(chǎn)物[9](圖5，反應(yīng)5-1)。

烯糖也是含有取代基的二氫吡喃衍生物，其與溴加成得到的產(chǎn)物就是糖基供體，該反應(yīng)是制備糖基供體的有效途徑之一，在糖化學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。溴與烯糖加成產(chǎn)物的立體選擇性通常受其取代基的位置和構(gòu)型的影響(圖5，反應(yīng)5-2和5-3)[10]。反應(yīng)式5-2中的烯糖，2個(gè)取代基處于平伏鍵和1個(gè)取代基處于準(zhǔn)平伏鍵的構(gòu)象中，取代基彼此之間都是鄰位交叉構(gòu)象，三個(gè)較大的取代基為兩組鄰位交叉構(gòu)象，因此，該構(gòu)象式并不穩(wěn)定；反而是在其構(gòu)象轉(zhuǎn)換體中，2個(gè)取代基處于直立鍵和1個(gè)取代基處于準(zhǔn)直立鍵，取代基彼此之間均是對(duì)位交叉，只是與環(huán)上鄰位碳原子上較小的亞甲基為鄰位交叉構(gòu)象，因此，該構(gòu)象式比較穩(wěn)定。其穩(wěn)定的構(gòu)象式與(R)-2-取代二氫吡喃取代基處于直立鍵的構(gòu)象反應(yīng)相似，因此，得到的主要產(chǎn)物為順式加成產(chǎn)物。對(duì)于反應(yīng)式5-3中的烯糖，由于三個(gè)取代基均為順式關(guān)系，其兩個(gè)半椅式構(gòu)象轉(zhuǎn)換體的能量差不多，因此，得到的反式和順式產(chǎn)物的產(chǎn)率也就差別不大。

圖5 溴與二氫吡喃衍生物的親電加成反應(yīng)

與烯醇醚相似，溴與烯胺的反應(yīng)也不經(jīng)過(guò)三元環(huán)溴正離子中間體，是極化后的溴分子中Brδ+加到烯胺的β-碳原子上，形成β-溴代亞胺鹽中間體，該亞胺中間體水解得到β-溴代酮(圖6)[11]。

圖6 溴與烯胺的親電取代反應(yīng)

可以預(yù)測(cè)，鹵代烯烴C＝C―X與溴的親電反應(yīng)也不會(huì)經(jīng)過(guò)三元環(huán)溴正離子中間體，會(huì)形成帶有Br―C―C＝X+結(jié)構(gòu)的中間體，然后進(jìn)一步與溴負(fù)離子反應(yīng)得到BrC―CBrX類型的產(chǎn)物。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然溴與烯烴的親電加成反應(yīng)和溴與酮及羧酸的α-位溴化反應(yīng)中都包含溴與C＝C雙鍵的基元反應(yīng)，但由于簡(jiǎn)單烯烴的C＝C雙鍵就是π鍵體系，而烯醇和烯醇負(fù)離子以及烯醇醚中的C＝C雙鍵與相連氧原子的p軌道形成了C＝C―O共軛體系，這兩類體系的HOMO軌道不同，導(dǎo)致了它們與溴發(fā)生親電反應(yīng)的機(jī)理不同。從以上分析可以看出，與烷基相連的C＝C鍵，只是作為π鍵體系與親電試劑發(fā)生加成反應(yīng)；而與含有孤對(duì)電子的雜原子相連的C＝C鍵，如烯醇衍生物、烯胺和鹵代烯烴類化合物中的C＝C鍵，則作為共軛體系與親電試劑發(fā)生反應(yīng)。通過(guò)引入分子軌道解釋反應(yīng)機(jī)理，可以清楚地解釋這兩類底物中溴與C＝C雙鍵反應(yīng)的機(jī)理和立體選擇性的差別?；瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就是軌道相互作用，在教學(xué)中加強(qiáng)分子軌道的應(yīng)用，可以提高學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的理解。