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基础有机化学中立体电子效应

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多数基础有机化学教材在讨论有机反应选择性时,仅重点介绍取代基效应(包括诱导效应、共轭效应与空间位阻)。立体电子效应(又称轨道取向效应)尽管在诸多立体选择性有机反应(尤其是σ键自由旋转受限的环状底物参与的反应)中起到关键作用,却极少被教材详细讲解。

将碳原子分为三类:sp3,sp2,sp 杂化碳,分别对应四面体、平面、直线型空间结构。两个sp3杂化碳原子相互靠近形成σ(Csp3―Csp3)共价键时,两个sp3杂化轨道必须头碰头取向,才能实现轨道最大重叠,进而生成σ成键分子轨道与 σ 反键分子轨道。两个电子填充在能量更低的 σ 成键轨道中,对应电子称为 σ 电子。


乙烯分子中,除头碰头形成σ(Csp2―Csp2 )键外,两个碳原子剩余未参与杂化的p轨道采取肩并肩取向,实现最大轨道重叠,形成π成键轨道与π反键轨道,填充在π成键轨道中的一对电子称为π电子。


从乙烷、乙烯的结构不难看出,轨道具有明确的空间取向。这种头碰头、肩并肩的轨道空间排布,不仅决定分子构象的相对稳定性,更主导反应过程中的立体选择性。下文将结合实例,详细说明轨道取向(立体电子效应)的核心作用。

一、共振与杂化结构

分子结构决定分子理化性质。掌握分子静电势分布,可判断的进攻位点,以此预判反应产物;而正确书写共振结构式时,轨道空间取向是核心前提。

在p-π共轭体系中,3条 p 轨道相互平行,构成4电子离域共轭体系。由共振杂化结构可知,端位碳原子电子云密度高于内部碳,因此更易被亲电试剂进攻。


但氮杂双环碳正离子中,氮原子孤对电子占据一条sp3杂化轨道,该轨道与相邻碳正离子的空 p 轨道几乎垂直,无法发生 p-p 轨道重叠,不存在共轭作用;氮的孤对电子仅定域在氮原子上,缺电子碳正离子无法借助邻位富电子氮形成共振结构获得稳定化。


3-乙酰吡啶存在同类现象:氮原子孤对电子填充在sp2杂化轨道,轨道处于吡啶环平面内,几何上无法与环上 p 轨道有效重叠,无法形成共轭。即便吡啶环连有吸电子羰基,氮孤对电子仍完全定域在氮原子,不能向吡啶环离域。


环丙甲基碳正离子与普通伯碳正离子截然不同,稳定性极高,其盐甚至可分离、表征。环丙甲醇、环丁醇在- 80 ℃、 SbF5-SO2ClF体系中,得到完全相同的核磁谱图,仅出现两组碳信号(化学位移 δ 108.4、55.2),分别对应次甲基碳与亚甲基碳。该碳正离子特殊稳定性源于:碳正离子的空 p 轨道与环丙基

σ(Csp3―Csp3) 成键轨道相互平行,通过空间轨道作用发生 σ 电子离域,形成非经典碳正离子(常规经典碳正离子是平面三配位结构,电荷集中在中心碳原子上,稳定性较低;而此处的五配位σ离域双环丁鎓离子属于非经典碳正离子,正电荷通过σ键离域到多个碳原子上,大幅提升了结构稳定性)。


二、碳正离子重排

反应过程中碳正离子极易发生重排,生成热力学更稳定的碳正离子;重排所需活化能,通常可由更稳定碳正离子生成释放的能量补偿。烷基迁移()能够发生的核心前提:迁移基团占据的σ(Csp3―Csp3)成键轨道,与相邻碳正离子的空 p 轨道有效重叠,且两条轨道共平面。


链状分子中σ(Csp3―Csp2)键可自由旋转,总能满足轨道共平面要求;烷基迁移能力由烷基电子效应决定,迁移活性顺序:叔烷基 > 仲烷基 > 伯烷基 > 甲基。

环状分子受环约束,σ 键无法自由旋转,迁移能力完全由轨道取向主导,不再完全由基团本身的优先级决定。例如碳正离子中间体4,尽管伯烷基迁移活性本应高于甲基,但实际发生甲基迁移;过渡态中,碳正离子空轨道与待迁移 σ 键能否有效重叠,是决定重排路径的关键。


三、烯醇与烯醇负离子的生成

含α-氢的羰基化合物会发生酮式-烯醇式互变异构。羰基 α-H 酸性远强于普通烷烃 C-H,若要生成烯醇的碳碳双键,羰基邻位C-H 键必须垂直于羰基平面,即 H―C―C=O二面角为 90°;此时相邻碳原子轨道可有效重叠,形成 C=C 双键。


环状体系中σ键旋转受限,对比化合物5、6:化合物5酸性远强于6。化合物 6 含有两个吸电子羰基,但其 α-H 酸性与普通烷烃氢基本无差别;原因在于:化合物5 中,邻位 C-H 键可垂直于羰基平面,满足生成烯醇的轨道取向要求;化合物 6 中 H―C―C=O二面角为 0°,C-H 键落在羰基平面内,轨道无法有效重叠。


四、双分子亲核取代反应中的Walden翻转

双分子亲核取代中,若缺电子中心碳为连有不同基团的手性仲碳,反应后中心碳构型反转,该现象称为Walden翻转。


为实现有效成键,亲核试剂必须从离去基团的背面进攻中心碳:电子从亲核试剂的填充轨道流入底物σ(C―L)键的反键轨道,两条轨道必须头碰头对齐才能高效成键。反应到达势能最高的过渡态时,亲核试剂、中心碳、离去基团三点共线;最终离去基团带走σ(C―L)键成键轨道的一对电子脱离,中心碳构型翻转,同时生成σ(Nu―C) 键,轨道头碰头排布是成键的必要条件。


五、反式共平面消除

E2 消除为一步协同反应,发生消除的核心几何要求:X―C―C―L二面角为 180°(反式共平面)。该排布可在类烯烃过渡态中有效构建 π 键,最终生成碳碳双键。


电子流动路径:碱的电子流入σ(X―C)反键轨道,推动σ(X―C)成键轨道电子流向 σ(C―C)反键轨道,同时离去基团带走σ(C―L)成键轨道电子脱离。反应起始两个碳原子均为sp3杂化,产物中转变为sp2杂化;sp3向sp2杂化转化时,σ(X―C)和σ(C―L)两条σ键需相互平行,才能在产物中顺利形成 π 键,对应二面角为 180°(反式)或 0°(顺式)。

顺式消除空间位阻更大,因此常规条件下以反式消除为主;但若 σ 键旋转被刚性骨架限制(如化合物 7),则会发生顺式消除。


以顺-1-溴-4-叔丁基环己烷(8-cis)、反-1-溴-4-叔丁基环己烷(8-trans)的 E2 消除为例:8-cis的消除速率远快于8-trans。大位阻叔丁基优先占据环己烷平伏键,分子形成两种稳定构象 A、B:


  • 顺式底物稳定构象:该构象下Ha、Hb均满足与Br反式共平面的要求, 完全满足 E2 消除轨道要求,可直接发生反应;

  • 反式底物稳定构象 B:与 C-Br 键反式共平面的仅为C-C 骨架键,无合适氢;必须转化为高能不稳定构象B’才能获得反式氢,该构象转化步骤活化能极高,为反应决速步,整体反应速率大幅降低。

六、双直立键加成(反式直立加成)

溴对双键的加成和E2消除反应遵循相似的立体化学要求,必须经过反式双直立加成步骤完成。溴与反应物(R)-9发生反式双直立加成后,会生成A、B两种中间产物,二者后续均可通过重排得到最终产物。中间产物A重排生成(1S,2S,4R)-10的难度远低于中间产物B重排生成(1R,2R,4R)-10的难度;差异的本质原因是B重排时必须经过势能更高的扭船式过渡态B',反应能垒更高。


故而尽管产物(1S,2S,4R)-10中的两个溴原子均处于直立键位置,其仍是该亲电加成反应的主要产物。

总的来看,轨道取向效应核心作用机制是通过定向的轨道重叠,对分子的构象及化学反应的选择性产生影响。因为单环、双环化合物中的σ键自由旋转受到限制,所以这类化合物轨道取向的作用会被放大,基于此,在研究探讨其结构和反应性时,轨道取向效应的考量优先级高于诱导效应、共轭效应、空间位阻等其他常见的电子和空间效应,是首要分析因素。参考文献:

[1] Reusch,W.Virtual Textbook of Organic Chemistry.[2018-11-05]. http://www2.chemistry. msu.edu/ faculty /reusch /virttxtjml/special3.htm .

[2] Olah,G.A.;Reddy,V.P.;Prakash,G.K.S.Chem.Rev.1992,92,69.

[3] Kočovsky,P.;Tureček,F.;Langer,V.;Podlahová,J.;Podlaha,J.J.Org.Chem.1986,51,4888.

[4] Barili,P.L.;Bellucci,G.;Marioni,F.;Morelli,I.;Scartoni,V.J.Org.Chem.1972,37,4353.

[5] [2018-11-05].https://en.wikipedia.org/wiki/Stereoelectronic_effect.

[6] Clayden,J.;Greeves,N.;Warren,S.Organic Chemistry,2nd ed.;Oxford University Press:New York,2012.

[7] Smith,M.B.;March,J.Advanced Organic Chemistry,5th ed.;A Wiley-Interscience Publication,John Wiley &Sons,Inc.:New York,2001.

本文编译自:LÜ Ping, WANG Yanguang. Stereoelectronic Effects in Fundamental Organic Chemistry . University Chemistry [J], 2018, 33(12): 113-120 doi:10.3866/PKU.DXHX201811001

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