非对称氮杂环丙烷的亲核开环反应及其区域选择性_马琳鸽(4)

图式34

[50]

4.卤素亲核试剂开环

对于非活化的芳基取代的氮杂环丙烷,卤素亲核试剂同样区域选择性地进攻芳甲位碳原子,如吡

啶氢氟酸盐对氮杂环丙烷153和155开环可以分别得到开环产物154和156(图式35),应该说是电子效应起主导作用

。

[4]

图式32

氮杂环丙烷中取代少的碳原子发生开环反应,开环生成的氮负离子又会作为亲核试剂进攻另一个氮杂环丙烷发生分子内的开环反应。在分子内的开环反应中,由于五元环比六元环容易形成,因此以五元环

·232·

化　学　进　展

第16卷

　　对于单烷基取代的氮杂环丙烷,碘负离子的进攻主要发生在未取代的环碳原子上

[75]

,空间位阻成

为反应区域选择性的决定因素。对于存在苯基取代的活化底物,卤素亲核试剂也区域专一地进攻芳甲位碳原子

[53,71]

。如CeCl3催化下的氯负离子和碘负

[76]

离子对对甲苯磺酰基活化的苯基单取代的氮杂环丙烷157的开环反应

(图式36)

。

图式37

表4　活化的氮杂环丙烷的溴负离子亲核开环Table4　Nucleophilicring-openingreactionof

activatedaziridineswithbromide

R1

R2MeEtEtMeMe

161 162ratio

MgBr2 Et2O>99∶1>99∶1>99∶1>99∶1>99∶1

161 162ratio

NaBr acetone23∶7725∶751∶991∶9950∶50

图式36

n-PrMe(CH2)11

i-PrcyclohexylPh

对于N-烷氧羰基活化的异碳原子双取代的2-烃基氮杂环丙烷甲酸酯160,卤素亲核试剂使之开环的区域选择性受亲核试剂影响,而不是受氮杂环丙烷的底物控制(图式37)。当进攻试剂为MgBr2,进攻位点以C-3为主,得到产物161;而当进攻试剂为NaBr时,进攻位点以C-2为主,主要产物为162。NaBr作为亲核试剂时,当R为非芳基取代

基时,区域选择性可高达162 161=99∶1(表4);当R=Ph时,无选择性,得到1∶1的混合物。这种区域选择性的不同应该归功于芳基对SN2过渡态的稳定化作用,使得亲核试剂进攻C-3原子的比例增加所致。除NaBr作亲核试剂时取代基为Ph外,我们认为可以用Person软硬酸碱理论对这种区域选择性加以解释:Br作为软硬碱的交界碱,当它与不同的金属相连时,其性质会产生一定的差别。Br的电负性是2.8,Na和Mg的电负性分别为0.9和1.2,MgBr2中Br与Mg会比NaBr中的Br与Na有较多的共价成分。因此,MgBr2中Br的电子密度会比NaBr中Br要低,也就是说,MgBr2中的Br是相对较硬的碱,而NaBr中的Br则是相对较软的碱。对于氮杂环丙烷来说,由于烷氧羰基的吸电子作用和烃基的给电子作用,使得氮杂环丙烷中与烃基相连的碳原子的电子云密度比与烷氧羰基相连的碳原子的低,也就是说,C-2为相对于较软的酸,而C-3为较硬的酸。根据Person“软酸软碱或硬酸硬碱结合更稳定”的软硬酸碱理论,MgBr2(硬碱)主要进攻C-3位(硬酸),而NaBr(软碱)主要进攻C-2位(软酸)。这就解释了

-[77]

剂取代基为Ph时,由于苯基可以通过p-π共轭作用稳定过渡态中C-3位的碳正离子,就增加了溴负离子进攻C-3原子的机会,因此,区域选择性就降

低了。

对于烯基取代基的活化的氮杂环丙烷163,在卤素负离子的进攻下主要发生SN2反应得到进攻烯丙位环碳原子的开环产物164(图式38),而不是发生进攻双键β-碳原子的SN2′反应。未发生SN2′反应的原因我们认为可能是因为卤素负离子的亲核性不够强,它们虽然可以亲核进攻具有较大环张力的并且活化的氮杂环丙烷,但不利于亲核进攻双键β-碳原子发生SN2′反应。

[78]

图式38

在卤素负离子对氮杂环丙烷的亲核开环反应中,经常使用强酸型离子交换树脂Amberlyst15作为酸性催化剂,如果没有它的存在,反应就不能进行。Amberlyst15作为另一种固体酸在反应中所起的作用就是提供可与氮原子结合的质子,来进一步活化氮杂环丙烷,加速亲核开环反应的发生。

第2期马琳鸽等　非对称氮杂环丙烷的亲核开环反应及其区域选择性·233·

二、氮杂环丙烷的自由基亲核开环

及其区域选择性

1.碳亲核试剂自由基亲核开环

Stamm等人在早期研究中发现,当用Tr(三苯甲基负离子)使同碳上双取代的氮杂环丙烷165开环时,未得到其进攻氮杂环丙烷中取代少的碳原子的产物,而检测到了相当于其进攻多取代碳原子开环而生成的产物145,但是该产物并非主要产物(图式39)

[79,80]

-

核开环反应也是按单电子转移机理进行的,得到亲核试剂区域选择性地进攻氮杂环丙烷取代多的碳原子上的产物174(图式40)。

3.硫亲核试剂自由基亲核开环

当底物为N-酰基活化的同碳双取代氮杂环丙烷时,硫酚负离子作为亲核试剂其亲核进攻也主要发生在氮杂环丙烷取代多的碳原子上(图式41)。

-如底物175在PhS的进攻下得到主要产物176,这里的区域选择性仍然可以利用以上提到的单电子转移机理得到比较合理的解释

。

[82]

[81]

。关于产物166的形成可以用他们提出

的单电子转移机理(singleelectrontransfer,SET)

进行

图式41

三、结束语

图式39

解释:在反应过程中,Tr-亲核试剂首先转移一个电子到酰胺的羰基氧上形成负离子自由基(其本身转化成较稳定的三苯甲基自由基),然后发生自由基开环,在此开环过程中,生成三级碳自由基比较稳定,该自由基与生成的亲核试剂自由基进一步结合生成相当于亲核试剂进攻氮杂环丙烷上取代多的碳原子开环而得到的产物166。主要产物167可以认为是三苯甲基自由基从开环自由基中间体171夺取一个质子而得到的开环消除产物,而副产物168和169是由开环自由基中间体171和三苯甲基自由基的两个共振式结合得到的,这对单电子转移机理中三苯甲基自由基形成的提出也是一个有力的证明。

2.氮亲核试剂自由基开环

活化的氮杂环丙烷173,与亲核试剂哌啶的亲

我们对不同取代的活化和非活化的氮杂环丙烷

(吖丙啶)的亲核开环反应及其区域选择性作了系统总结。区域选择性与氮杂环丙烷的结构和亲核试剂密切相关,同时还受催化剂(质子酸或Lewis酸等)等因素的影响,但大致可以得到以下规律:活化和非活化的非芳基和非烯基单取代或者同碳原子上双取代的氮杂环丙烷的亲核开环反应一般优先发生在氮杂环丙烷取代少的碳原子上;含有芳基或烯基取代的氮杂环丙烷,除亲核性特别强的含硫亲核试剂外,亲核进攻容易发生在氮杂环丙烷芳甲位或烯丙位碳原子上;含有烯基取代的氮杂环丙烷,亲核性较强的碳亲核试剂也会发生在烯基的β-碳原子上(SN2′反应)。分子内的亲核开环反应主要受环大小的控制,得到开环产物的次序为:五元环产物>六元环产物>七元环产物。亲核性强的含硫亲核试剂亲核进攻总是容易发生在氮杂环丙烷取代少的碳原子上;容易给出一个电子生成稳定自由基的亲核试剂容易发生单电子转移机理的开环反应,生成相当于亲核试剂进攻氮杂环丙烷中取代多的碳原子得到的开环产物。总的来说,氮杂环丙烷亲核开环过程的区域

图式40

选择性是一种空间效应和电子效应平衡的结果。非

·234·

化　学　进　展

[17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40][41][42][43][44]

第16卷

在氮杂环丙烷取代少的碳原子上,空间效应起主导作用;而芳基和烯基取代的氮杂环丙烷的亲核开环通常发生在氮杂环丙烷芳甲位和烯丙位的碳原子上,电子效应起主导作用,烯基取代的氮杂环丙烷的亲核开环还会发生在烯基的β-碳原子上;对于亲核试剂来说,一般的亲核试剂同时受电子效应和空间效应的影响,而亲核性强的亲核试剂通常只受空间效应的影响。

氮杂环丙烷开环反应是合成邻氨基类化合物的重要方法。通过总结和分析氮杂环丙烷开环反应的区域选择性,可以有效地控制开环反应的方向,制备所需要的有机化合物,为今后更好地利用这一反应奠定基础。如手性氮杂环丙烷开环可以得到各种光活性的α或β-氨基酸衍生物,以及合成光活性杂环化合物和生物碱等的重要原料。

参考文献

[1]

PadwaA,WoolhouseAD.ComprehensiveHeterocyclicChemistry(eds.KatritzkyAR,ReesCW).Oxford:PergamonPress,1984.47—93

[2]

PearsonWH,LianBW,BergmeierSC.ComprehensiveHetero-cyclicChemistryⅡ(ed.PadwaA).Oxford:Pergamon,1996.1A:1—60

[3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14]

XuJ-X,JiaoP.J.Chem.Soc.Perkin.Trans.1,2002:1491—1493andcitedtherein

TannerD.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,1994,33,599—619LensinkC.Tetrahedron:Asymmetry,1995,6:2033—2038BreternitzHJ,SchaumanE.J.Chem.Soc.,PerkinTrans.1,1999,1927—1931

HayesJF,ShipmanM,TwinH.J.Org.Chem.,2002,67:935—942

BergmeierSC,SethPP.J.Org.Chem.,1999,64:3237—3243

ChurchNJ,YoungDW.TetrahedronLett.,1995,36:151—154

CantrillAA,OsbornHMI,SweeneyJ.Tetrahedron,1998,54:2181—2208

MedinaE,MoyanoA,PercàsMA,RieraA.J.Org.Chem.,1998,63:8574—8578

TannerD,GautunOR.Tetrahedron,1995,51:8279—8288PenkttCS,SimpsonID.TetrahedronLett.,2001,42:1179—1181

FujiiN,NakaiK,TamamuraH,OtakaA,MimuraN,MiwaY,TagaT,YamamotoY,IbukaT.J.Chem.Soc.PerkinTrans.1,1995:1359—1371

[15][16]

TamamuraH,YamashitaM,MuramatsuH,OhnoH,IbukaT,OtakaA,FujiiN.Chem.Commun.,1997:2327—2328OoiT,KagoshimaN,IchikawaH,MaruokaK.J.Am.Chem.,—TurnerJJ,LeeuwenburghMA,vanderMarelGA,etal.Tetra-hedronLett.,2001,42:8713—8716

AhmanJ,SomfaiP.J.Am.Chem.Soc.,1994,116:9781—9782

AhmanJ,SomfaiP.Tetrahedron,1995,51:9747—9756AhmanJ,SomfaiP.TetrahedronLett.,1996,37:2495—2498ToshimitsuA,AbeH,HirosawaC,TamaoK.J.Chem.Soc.,PerkinTrans,1,1994,3465—3471

BaldwinJE,SpiveyAC,SchofieldCJ,SweeneyJB.Tetrahe-dron,1993,49:6309—6330

EndersD,JaneckCF,RaabeG.Eur.J.Org.Chem.,2000,65:3337—3345

LygoB.Synlett,1993,10:764—766

bbs.99jianzhu.com内容：建筑图纸、PDF/word 流程，表格，案例，最新,施工方案、工程书籍、建筑论文、合同表格、标准规范、CAD图纸等内容。