第35屆中國(guó)化學(xué)奧林匹克(初賽)試題解析
——以有機(jī)化學(xué)部分第9、10題為例

楊明岸，李俊，吳敏鍶，張喜庭

1 廣東第二師范學(xué)院化學(xué)系，廣州510303

2 華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510006

3 廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣州510006

第35屆中國(guó)化學(xué)奧林匹克(初賽)在全國(guó)28個(gè)省、自治區(qū)、直轄市舉行，約7萬(wàn)名中學(xué)生參與了本次競(jìng)賽[1]。作為全國(guó)性的化學(xué)賽事，競(jìng)賽鼓勵(lì)青少年接觸化學(xué)發(fā)展的前沿，激發(fā)學(xué)生鉆研化學(xué)的興趣，探索化學(xué)家的思想淵源與工作方法，為國(guó)家選拔化學(xué)理論功底扎實(shí)、能與化學(xué)家在研究思路上產(chǎn)生“共振”的科學(xué)型人才創(chuàng)造了機(jī)遇與條件[2]?？傮w來(lái)看，試題的綜合難度與往屆持平。相較于第34屆試題，在知識(shí)板塊的分布上，分值比重明顯增加的是無(wú)機(jī)化學(xué)(含結(jié)構(gòu)化學(xué)，如分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu))；明顯減小的是高分子化學(xué)、配位化學(xué)與分析化學(xué)；基本持平的是元素化合物、有機(jī)化學(xué)與物理化學(xué)。初賽的基本內(nèi)容仍集中在無(wú)機(jī)化學(xué)(含元素化合物)和有機(jī)化學(xué)這兩個(gè)部分，分?jǐn)?shù)約占全卷的60%[3]。有機(jī)化學(xué)模塊在試題的設(shè)置上穩(wěn)中求進(jìn)，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解與運(yùn)用能力，部分內(nèi)容選材于近兩年有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域較新并承載重要意義的研究成果。此外，試題強(qiáng)化了空間力、推理力與信息分析能力這三個(gè)維度的要求。通過(guò)對(duì)第35屆化學(xué)初賽第9、10題的分析(見(jiàn)表1)，幫助處于啟蒙階段的競(jìng)賽選手熟悉有機(jī)化學(xué)模塊的試題結(jié)構(gòu)與考查風(fēng)格，為從事化學(xué)競(jìng)賽培訓(xùn)的教師提供參考。第35屆中國(guó)化學(xué)奧林匹克(初賽)有機(jī)化學(xué)部分第9、10題原題已放入補(bǔ)充材料，讀者可從參考文獻(xiàn)[1]或本文的補(bǔ)充材料快速獲得競(jìng)賽題目。

表1 第35屆化學(xué)奧林匹克(初賽)第9、10題考情細(xì)目表

1 第9題解析

1.1 考題解析

[9-1] 本題考察吡啶類衍生物與酸酐、三級(jí)膦之間的反應(yīng)。反應(yīng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程與第34屆初賽第10題的Pummerer重排較接近[2]。二芳基三氟甲基膦是一種親核試劑。結(jié)合產(chǎn)物結(jié)構(gòu)看，它不與Tf2O (三氟甲磺酸酐)反應(yīng)，而是對(duì)吡啶進(jìn)行三氟甲基化。Tf2O起到活化吡啶環(huán)的作用，環(huán)上的N原子為親核位點(diǎn)，Tf2O的S原子為親電位點(diǎn)，發(fā)生加成反應(yīng)生成中間體M1。在O-的參與下，通過(guò)給電子對(duì)的轉(zhuǎn)移，TfO-作為離去基團(tuán)發(fā)生消除反應(yīng)。二芳基三氟甲基膦親核進(jìn)攻中間體M2的C(4)進(jìn)行1,4-加成反應(yīng)，生成具有醌式結(jié)構(gòu)的季鏻鹽，為吡啶結(jié)構(gòu)的三氟甲基化提供了可能性。中間體M3的C(4)的質(zhì)子被大位阻堿DBU (1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]-7-十一碳烯)[4]攫取轉(zhuǎn)化為具有親核能力的反應(yīng)位點(diǎn)，在給電子對(duì)的作用下，N-S鍵斷裂使Tf-基團(tuán)離去。由于是強(qiáng)酸性水解的條件，中間體M4吡啶環(huán)上的N在質(zhì)子化的同時(shí)，磷原子結(jié)合水分子中的羥基。經(jīng)分子內(nèi)重排，離去二芳基羥基膦，最后得到三氟甲基化產(chǎn)物。反應(yīng)的歷程如圖1所示，A和B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式見(jiàn)圖2。

圖1 吡啶C4位三氟甲基化的反應(yīng)機(jī)理

圖2 化合物A和B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式

[9-2] 本題考察Claisen重排反應(yīng)與Alder-ene反應(yīng)在成環(huán)中的應(yīng)用。反應(yīng)條件是330 °C的高溫，無(wú)外加試劑，可聯(lián)想到周環(huán)反應(yīng)。底物是一個(gè)烯丙基乙烯基醚類衍生物結(jié)構(gòu)，是典型的[3,3]-σ重排的骨架體系，故由反應(yīng)物轉(zhuǎn)化到中間體M5發(fā)生的是Claisen重排反應(yīng)(圖3標(biāo)注的兩個(gè)M5是同一種中間體，即題目要求書(shū)寫(xiě)的A。為表示清楚反應(yīng)歷程，凸顯出不同位置的H原子)。反應(yīng)經(jīng)歷六元環(huán)過(guò)渡態(tài)的分子內(nèi)重排，烯氧基在五元環(huán)紙面朝下，所以協(xié)同反應(yīng)產(chǎn)生的乙醛基仍在五元環(huán)紙面朝下。在完成[3,3]-σ重排后，發(fā)生周環(huán)反應(yīng)。周環(huán)反應(yīng)過(guò)程涉及的位點(diǎn)如圖3所示(紅色突出)。從M5到pdt-1，存在的轉(zhuǎn)化有：① H原子由C(5)轉(zhuǎn)移到C(9)；②π鍵斷裂：C(1)-C(2)，C(8)-C(9)；③ 新鍵形成：σ鍵C(2)-C(8)，π鍵C(1)-C(5)；從M5到pdt-2，存在的轉(zhuǎn)化有：① H原子由C(10)轉(zhuǎn)移到C(1)；②π鍵斷裂：C(1)-C(2)，C(8)-C(9)；③ 新鍵形成：σ鍵C(2)-C(8)，π鍵C(9)-C(10)。根據(jù)上述信息發(fā)現(xiàn)這與一般的周環(huán)反應(yīng)類型如電環(huán)化、σ遷移的特征不符，與環(huán)加成(如D-A反應(yīng))具有相當(dāng)?shù)墓残?。本題中，電子從烯體(含烯丙基氫的富電子基團(tuán))的HOMO流向親烯體(含π鍵的缺電子基團(tuán))的LUMO。過(guò)程涉及H原子與烯體雙鍵的遷移，在親烯體不飽和鍵的兩端構(gòu)建兩個(gè)新的σ鍵，同時(shí)雙鍵移動(dòng)至原烯丙基位置，這一轉(zhuǎn)化路徑被稱為Alder-ene反應(yīng)(烯反應(yīng))，屬于六電子的周環(huán)過(guò)程。C(1)-C(2)，C(8)-C(9)這兩個(gè)雙鍵的α-C上均有一個(gè)H原子，進(jìn)行烯反應(yīng)時(shí)兩個(gè)雙鍵都具備提供烯丙基氫的潛在性，故存在兩種產(chǎn)物：若C(2)-C(1)-C(5)體系作為烯體，C(8)-C(9)作為親烯體，生成物是pdt-1；若C(8)-C(9)-C(10)體系作為烯體，C(1)-C(2)作為親烯體，生成物是pdt-2。本題中烯反應(yīng)的環(huán)狀過(guò)渡態(tài)為穩(wěn)定的船式構(gòu)象TS-1和TS-2[5]，分別對(duì)應(yīng)題目的過(guò)渡態(tài)B和C；M5對(duì)應(yīng)題目的中間體A，轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 烯丙基乙烯基醚類衍生物在高溫條件下進(jìn)行Claisen重排與Alder-ene反應(yīng)的機(jī)理

[9-3] 本題涉及親核取代反應(yīng)、核磁共振氫譜和芳香性等重要知識(shí)。一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)攻的親核試劑的親核能力越強(qiáng)，反應(yīng)經(jīng)過(guò)SN2機(jī)理過(guò)渡態(tài)所需的活化能就越低，SN2反應(yīng)趨向越大。AgNO3是一種弱的親核試劑，故傾向于進(jìn)行SN1反應(yīng)。反應(yīng)物中的Cl原子被Ag+以靜電作用誘導(dǎo)離去，生成的碳正離子被-ONO親核進(jìn)攻得到了產(chǎn)物硝酸酯[6,7]。而MeLi是一種強(qiáng)的親核試劑，傾向于進(jìn)行SN2反應(yīng)。

根據(jù)題意“分子式為C9H12的產(chǎn)物”，結(jié)合反應(yīng)物的分子式C8H9Cl后可推斷出氯原子被換作甲基。“產(chǎn)物的1H-NMR譜表明，在化學(xué)位移0.89 ppm處有六個(gè)氫”可分析出：① 由于六個(gè)氫原子是化學(xué)等價(jià)的，產(chǎn)物中很可能存在兩個(gè)化學(xué)環(huán)境一致的甲基；② 質(zhì)子吸收峰處于0.89 ppm的信號(hào)位置是光譜中屏蔽效應(yīng)很強(qiáng)(可通俗理解成質(zhì)子對(duì)外磁場(chǎng)的感受少)的高場(chǎng)區(qū)域。從數(shù)值上看，甲基所連基團(tuán)的給電子能力應(yīng)比較強(qiáng)。反應(yīng)物中已有一個(gè)甲基，可推斷出第二個(gè)甲基是由試劑MeLi親核進(jìn)攻得到的。甲基負(fù)離子(Me-)的加成將得到碳負(fù)離子中間體，可將甲基負(fù)離子加成到各種位置，對(duì)得到的各種碳負(fù)離子中間體進(jìn)行比較。如圖4所示：由Hückel規(guī)則得知，環(huán)戊二烯負(fù)離子具有芳香性，穩(wěn)定性好，證明了Me-進(jìn)攻C(6)的反應(yīng)傾向于發(fā)生。接著環(huán)戊二烯負(fù)離子進(jìn)攻C(8)-Cl鍵使其異裂，Cl-離去，發(fā)生分子內(nèi)關(guān)環(huán)。產(chǎn)物中兩個(gè)甲基均連在環(huán)丙基上，印證了上述的推斷②。

圖4 環(huán)戊二烯衍生物和甲基鋰發(fā)生SN2反應(yīng)的機(jī)理

1.2 評(píng)注與拓展

[9-1] 本題可從分子式與價(jià)態(tài)的角度思考：將兩個(gè)底物的分子式相加并與A的分子式比較。A相比于底物多了1個(gè)C，1個(gè)S，3個(gè)F，3個(gè)O原子；少了1個(gè)H原子。多出的原子部分可恰好組成TfO-，作為A的陰離子。減少的氫質(zhì)子很可能被DBU捕獲，形成DBUH+作為B的陽(yáng)離子(DBUH+的分子式不符合A中陽(yáng)離子的要求)。由“吡啶的C4位三氟甲基化”可知，二芳基三氟甲基膦傾向于親核進(jìn)攻C(4)，在吡啶環(huán)上引入鏻鎓離子。此時(shí)P(III)變?yōu)榱薖(V)，發(fā)生氧化反應(yīng)。相應(yīng)地，Tf2O就被還原成Tf-，可作為B的陰離子。經(jīng)檢驗(yàn)，這一推斷滿足得失電子守恒。A的陽(yáng)離子骨架不難推斷，可看成是鏻鎓離子取代吡啶C4位的H原子。

題目選材于2021年4月發(fā)表于Nature的一項(xiàng)研究成果[8]?？屏_拉多州立大學(xué)的McNally課題組通過(guò)磷介導(dǎo)的sp2-sp3配體偶聯(lián)反應(yīng)，無(wú)需預(yù)官能團(tuán)化和導(dǎo)向基團(tuán)，便可通過(guò)“一鍋法”直接將吡啶結(jié)構(gòu)中的C-H鍵氟烷基化。該反應(yīng)的選擇性高，在復(fù)雜分子的后期功能化上展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

[9-2] Claisen重排反應(yīng)的機(jī)理[9]如圖5所示(該圖不表達(dá)任何特定的前線軌道，只體現(xiàn)構(gòu)象中新的成鍵與相應(yīng)軌道的聯(lián)系)，這種[3,3]-σ遷移重排一般經(jīng)過(guò)類椅式過(guò)渡態(tài)[10]910。

圖5 Claisen重排反應(yīng)的機(jī)理

化學(xué)家Alder在1943年首次提出Alder-ene反應(yīng)。他通過(guò)高溫加熱丙烯和馬來(lái)酸酐兩種底物，合成了烯丙基琥珀酸酐，該過(guò)程可視為丙烯(含烯丙基氫)和馬來(lái)酸酐發(fā)生了間接取代加成反應(yīng)[11]。Alderene反應(yīng)在大多數(shù)教科書(shū)中被歸為環(huán)加成反應(yīng)，在有些教科書(shū)中被獨(dú)立劃分為第四類周環(huán)反應(yīng)[10]894-895，第30屆決賽理論試題的[8-2]就涉及了這種反應(yīng)[12]?？创鼳lder-ene反應(yīng)最簡(jiǎn)單的方式，是將它轉(zhuǎn)化為一類熟悉的環(huán)加成反應(yīng)：D-A反應(yīng)，其中雙烯的一個(gè)π鍵被一個(gè)C-H鍵替代，產(chǎn)物形成一個(gè)新的C-C鍵與一個(gè)跨空間轉(zhuǎn)移的H原子，反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖6[13,14]。與Diels-Alder反應(yīng)不同，Alder-ene反應(yīng)中C-Hσ鍵的斷裂要求更高的活化能，反應(yīng)條件較為苛刻。但因其廣泛的底物適用性[15]，是一種用于高效構(gòu)建C-C或C-X鍵(X：雜原子)的策略，在一些天然產(chǎn)物與復(fù)雜分子的合成中承擔(dān)著重要的功能。

圖6 Alder-ene反應(yīng)的機(jī)理

[9-3] 核磁共振(NMR)波譜是化學(xué)家們進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析與研究相互作用最常用的重要工具，是少數(shù)能用于無(wú)損檢測(cè)三種物態(tài)的技術(shù)之一，靈敏度高(能分析質(zhì)量不足1 mg樣品的結(jié)構(gòu))。在解析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)時(shí)，通常需要借助多個(gè)核磁實(shí)驗(yàn)從不同角度來(lái)展示分子中原子核及其核外電子的磁特性，據(jù)此信息推導(dǎo)出相應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)。可以說(shuō)，幾乎所有的有機(jī)或生物分子以及許多無(wú)機(jī)分子的結(jié)構(gòu)解析都源于NMR波譜技術(shù)[16]。自問(wèn)世半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，NMR歷經(jīng)多次技術(shù)革新，這一領(lǐng)域的重大進(jìn)展日新月異。本屆初賽試題沒(méi)有對(duì)NMR波譜單獨(dú)命題，而將其作為輔助信息融入題干，彰顯現(xiàn)代儀器定性分析的表征手段。“化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合”這一思想的滲透，是試題的特色之處。

2 第10題解析A

2.1 考題解析

[10-1] 本題考察酰胺共振式的書(shū)寫(xiě)。共振式之間的差別體現(xiàn)在電子的排布。書(shū)寫(xiě)分子的共振式時(shí)要注意：① 共振式要符合Lewis結(jié)構(gòu)式；② 代表同一分子的共振式具有相同的原子排列順序且具有相等的未成對(duì)電子數(shù)[17]。普通酰胺A的共振式可仿照烯醇互變異構(gòu)書(shū)寫(xiě)，如圖7采用共平面的畫(huà)法。

圖7 酰胺的共振式

[10-2-1] 本題考察端基效應(yīng)與基團(tuán)的電負(fù)性、離去能力之間的關(guān)系?；鶊F(tuán)Y的孤對(duì)電子偏移至N-Y之間，從而促使基團(tuán)Z離去。Z基團(tuán)的吸電子能力越強(qiáng)，越容易離去，使酰胺N原子的正電性增強(qiáng)，親核試劑更容易與其發(fā)生取代反應(yīng)，端基效應(yīng)更強(qiáng)。本題中，基團(tuán)的吸電子能力可通過(guò)電負(fù)性衡量，電負(fù)性有：F ＞ O ＞ N，即基團(tuán)的端基效應(yīng)有：F-＞ OR-＞ NR-2。故三種雜原子中，F(xiàn)原子取代酰胺具有最強(qiáng)的端基效應(yīng)。

[10-2-2] 本題考察不同類型電子效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)作用以及離子的穩(wěn)定性。當(dāng)酰胺轉(zhuǎn)化為磺酰胺時(shí)，N原子左側(cè)的?；妥兂闪嘶酋；?。強(qiáng)的端基效應(yīng)，意味著Z的離去能力更好。與N原子直接相連的?；鶕Q成了吸電子能力更強(qiáng)的磺?；?，就會(huì)與基團(tuán)Z之間發(fā)生更強(qiáng)的吸電子競(jìng)爭(zhēng)作用，從而削弱了端基效應(yīng)。

[10-3] 本題考察加成-消除反應(yīng)、自由基反應(yīng)與氮賓的基本知識(shí)。tBuCOO-的離去能力強(qiáng)于BnO-,可確定tBuCOO-相當(dāng)于[10-2]酰胺B中的離去基團(tuán)Z。在-OBn孤對(duì)電子的參與下，通過(guò)給電子對(duì)的轉(zhuǎn)移，tBuCOO-基團(tuán)離去，發(fā)生消除反應(yīng)。底物二級(jí)胺的N原子提供孤對(duì)電子，親核進(jìn)攻酰胺N原子，N＝O間的一對(duì)π電子向O原子偏移，得到氮正離子中間體M6。氫質(zhì)子被攫取后，受中間體M7內(nèi)連著亞甲基的N的孤對(duì)電子影響，BnO-基團(tuán)離去，產(chǎn)生中間體M8。接下來(lái)BnO-重新進(jìn)攻帶正電的?；?，經(jīng)加成-消除反應(yīng)后，得到二氮烯中間體M9。C-N鍵斷裂的同時(shí)，釋放出N2物種，生成了兩個(gè)相同的含Br自由基，兩者迅速結(jié)合形成產(chǎn)物。反應(yīng)的機(jī)理如圖8所示，轉(zhuǎn)化過(guò)程中必定經(jīng)過(guò)的兩個(gè)關(guān)鍵中間體分別為M7和M9。

圖8 具有端基效應(yīng)的酰胺對(duì)二級(jí)胺骨架進(jìn)行編輯以構(gòu)建C-C鍵的反應(yīng)機(jī)理

2.2 評(píng)注與拓展

[10-2-1] 用分子軌道理論(MO)解釋本題，關(guān)鍵點(diǎn)是n(Y)和σ*(N-Z)兩個(gè)軌道間的相互作用[18]。從N、O到F，隨著Z原子的電負(fù)性依次增加，σ*(N-Z)軌道的能量逐漸降低，更加接近n(Y)軌道的能量；此外σ*(N-Z)軌道中N的成分逐漸增加，n(Y)與σ*(N-Z)軌道重疊的程度越大，體現(xiàn)了端基效應(yīng)的調(diào)控作用，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。端基效應(yīng)(異頭效應(yīng))屬于靜態(tài)立體電子效應(yīng)。關(guān)于立體電子效應(yīng)，可簡(jiǎn)要概括為：分子內(nèi)的成鍵或非鍵電子在空間的特定方向產(chǎn)生軌道相互作用，進(jìn)而引起分子的結(jié)構(gòu)(含鍵長(zhǎng)和鍵角)、能量與反應(yīng)活性的變化[19]。這種效應(yīng)可用于構(gòu)象分析、立體化學(xué)以及反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的研究，是科學(xué)家在設(shè)計(jì)有機(jī)合成路線時(shí)不容忽視的因素之一[20]。

[10-2-2] 本題可從離子穩(wěn)定性的角度考慮：基團(tuán)Z離去后，N原子帶正電，左側(cè)?；奈娮幼饔貌焕陉?yáng)離子的穩(wěn)定存在。當(dāng)吸電子能力更強(qiáng)的磺?；〈；?，形成的陽(yáng)離子穩(wěn)定性更差，基團(tuán)Z就更難以離去，端基效應(yīng)減弱。用MO來(lái)看：強(qiáng)吸電子基團(tuán)可使N-Z發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，由此改變N對(duì)σ*(N-Z)軌道的貢獻(xiàn)度。轉(zhuǎn)化為磺酰胺后，N原子帶δ-，Z原子帶δ+，σ*(N-Z)軌道中N的成分下降，n(Y)與σ*(N-Z)軌道的重疊性變小，不利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

[10-3] 題目選自2021年5月發(fā)表于Nature的一項(xiàng)研究成果[21]。C-H鍵官能化反應(yīng)雖然發(fā)展迅速，但能直接用于潛在分子骨架修飾的案例不多，骨架轉(zhuǎn)化仍是一類尚未完全開(kāi)發(fā)但發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦突瘜W(xué)反應(yīng)。從簡(jiǎn)化逆合成步驟的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單原子“插入”與“刪除”的操縱相當(dāng)誘人。芝加哥大學(xué)化學(xué)系的Levin課題組發(fā)展了一種新型的分子編輯反應(yīng)：直接“刪除”仲胺中的氮原子，借助異二氮烯中間體釋放出N2，實(shí)現(xiàn)分子內(nèi)偶聯(lián)以構(gòu)建C-C鍵。反應(yīng)的關(guān)鍵在于某種異頭酰胺試劑可促進(jìn)脂肪族仲胺的分子間活化。分子編輯技術(shù)有助于開(kāi)發(fā)真正意義上的“無(wú)痕”化學(xué)反應(yīng)——對(duì)合成有幫助的分子特征不殘留在產(chǎn)物中，為有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了新的思路[22]。

3 第10題解析B

3.1 考題解析

[10-4] 本題考察Dyotropic重排反應(yīng)在復(fù)雜分子合成中的作用。

[10-4-1] 該反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力是通過(guò)擴(kuò)環(huán)釋放四元環(huán)的角張力。一個(gè)內(nèi)酯環(huán)在擴(kuò)張的同時(shí)，伴隨著另一環(huán)的縮合。C(4)與C(5)分別連接的酰氧基同時(shí)處于反式共平面，具備協(xié)同遷移的傾向。理論計(jì)算表明這種Dyotropic重排由TMS+基團(tuán)引發(fā)，類似于雙重SN2反應(yīng)[23-25]，見(jiàn)圖9。

圖9 雙內(nèi)酯通過(guò)雙重重排反應(yīng)合成螺內(nèi)酯

[10-4-2] 反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力仍然是四元環(huán)張力的釋放，故C(6)-C(7)右側(cè)遷移的是酰氧基。至于左側(cè)遷移的是σ(C-H)還是σ(C-C)，可從以下角度思考：① 若遷移σ(C-H)，形成的是六元環(huán)。若遷移σ(C-C)，則形成七元環(huán)，七元環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性低于六元環(huán)；② 遷移σ(C-C)要求C(6)-C(7)左側(cè)的烷基與右側(cè)的酰氧基同時(shí)處于反式共平面，而這種構(gòu)象的基團(tuán)斥力作用大，穩(wěn)定性差，因此在整個(gè)構(gòu)象體系中所占的比例低。相應(yīng)地，氫與酰氧基在紙面上處于反式的構(gòu)象穩(wěn)定性好；③分析過(guò)渡態(tài)TS-3和TS-4的構(gòu)象[26]，見(jiàn)圖10。從空間效應(yīng)的角度，TS-3的位阻相對(duì)較小，反應(yīng)沿路徑a進(jìn)行的可能性大。但DFT(密度泛函理論)計(jì)算表明：TS-3與TS-4兩種構(gòu)象的能量較為接近。由于反應(yīng)物具有構(gòu)象靈活性，故空間效應(yīng)不是唯一的決定因素。再者，σ(C-H)鍵軌道的能量通常比σ(C-C)鍵軌道能量高，且TS-4中σ(C-H)與σ*(C-O)之間軌道重疊的匹配性更好。綜合上述因素，σ(C-H)鍵更傾向于遷移。反應(yīng)的歷程如圖11所示。

圖10 C-C鍵與C-H鍵遷移的化學(xué)選擇性

圖11 α-亞甲基-β-內(nèi)酯的雙重重排反應(yīng)

[10-4-3] 鋰代二氫呋喃與二甲基銅鋰(Gilman試劑)之間轉(zhuǎn)金屬化，在呋喃環(huán)上引入含Cu基團(tuán)，構(gòu)建了C-Cu鍵的分子骨架[27,28]。高階銅酸鹽中間體M10經(jīng)過(guò)環(huán)狀過(guò)渡態(tài)，Cu上的甲基和烷氧基團(tuán)相互遷移形成中間體M11，水解后得到產(chǎn)物。重排的驅(qū)動(dòng)力可能為“強(qiáng)堿制備弱堿”，反應(yīng)歷程見(jiàn)圖12。

圖12 有機(jī)銅試劑參與的雙重重排反應(yīng)

[10-4-4] 含Pd基團(tuán)與苯基之間相互遷移，生成的中間體在金屬Pd(II)的作用下還原消除直接得到非對(duì)映選擇性產(chǎn)物，重新構(gòu)建了C-F鍵。重排的驅(qū)動(dòng)力可能為：① 空間相互作用的弱化；② 生成了熱力學(xué)更穩(wěn)定的α-羰基Pd(IV)物種[29]。反應(yīng)的歷程見(jiàn)圖13。

圖13 金屬Pd基團(tuán)參與的雙重重排反應(yīng)

3.2 評(píng)注與拓展

[10-4-2] 選自2020年12月發(fā)表在AngewandteChemieInternationalEdition的一項(xiàng)研究成果[26]。清華大學(xué)的唐葉峰課題組借助環(huán)張力驅(qū)動(dòng)的Dyotropic重排反應(yīng)，構(gòu)建了一種合成α-亞甲基-g-丁內(nèi)酯的通用方法。反應(yīng)中遷移基團(tuán)的遷移順序具有一定的規(guī)律性，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的取代類型和立體化學(xué)的精準(zhǔn)調(diào)控。研究指出該反應(yīng)具有廣泛的底物適用性，已被成功應(yīng)用于一些天然產(chǎn)物及其核心骨架、生物探針?lè)肿拥鹊暮铣桑谀撤N程度上解決了潛在的副反應(yīng)易發(fā)生、化學(xué)選擇性難受控的問(wèn)題，凸顯了方法的實(shí)用性。

[10-4-3]與[10-4-4]選自NatureChemistry在2021年7月刊出的一篇文章[29]。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的祝介平團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了在溫和的條件下鄰位C-C鍵和C-Pd(IV)鍵的Dyotropic重排，并構(gòu)建了一系列含有三個(gè)立體中心的氟化環(huán)戊烷，反應(yīng)具有高度的立體專一性。這種重排過(guò)程為常規(guī)手段難以實(shí)現(xiàn)的C-C鍵活化創(chuàng)造了新的開(kāi)端，且有望作為Pd催化反應(yīng)的一種工具。

4 結(jié)語(yǔ)

第35屆中國(guó)化學(xué)奧林匹克(初賽)有機(jī)化學(xué)部分的試題難度與往屆相比變化不大，但立體化學(xué)的復(fù)雜性提升，涵蓋的知識(shí)面更廣，對(duì)選手的綜合能力與高階思維提出了進(jìn)一步的要求。學(xué)生在日常訓(xùn)練中可參考國(guó)內(nèi)外的著名期刊或高等有機(jī)化學(xué)書(shū)籍，加強(qiáng)反應(yīng)機(jī)理的理解與推導(dǎo)。此外，鼓勵(lì)學(xué)生接觸化學(xué)發(fā)展的前沿，拓寬自身的視野，培養(yǎng)分析、運(yùn)用信息解決綜合問(wèn)題的能力與創(chuàng)新型思維。