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立體化學:D-A反應中的立體化學
眾所周知,雙烯體與親雙烯體的[4+2]環(huán)加成反應稱為Diels-Alder反應(D-A反應),D-A反應自發(fā)現(xiàn)以來,一直是有機合成中構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)的強有力工具,特別在天然產(chǎn)物全合成領(lǐng)域。


首先對D-A反應的一些基礎(chǔ)知識進行回顧:
1、按照前線軌道理論,發(fā)生D-A反應時,烯體與親雙烯體兩者中,必然有一個提供HOMO軌道,另一個提供LUMO軌道,具體哪個反應物提供HOMO軌道,哪個反應物提供LUMO軌道,則取決于兩個軌道的能量(相互作用的兩個軌道,能量越接近,越容易發(fā)生反應),因此,D-A反應分為三類:電子從雙烯體的HOMO軌道流向親雙烯體的LUMO軌道的反應(這是最普遍的D-A反應);電子從親雙烯體的HOMO軌道流向雙烯體的LUMO軌道的反應(反常的D-A反應);電子雙向流動的反應。
2、D-A反應具有很高的區(qū)域選擇性,當不對稱雙烯體與不對稱親雙烯體發(fā)生反應時,兩個取代基處于鄰位或?qū)ξ坏漠a(chǎn)物占優(yōu)勢。分子軌道理論可對此現(xiàn)象進行解釋,從形成分子軌道的各原子軌道的組合系數(shù)看,形成鄰、對位產(chǎn)物能使分子軌道達到最有效的重疊(詳見基礎(chǔ)有機化學教材)。
3、D-A反應具有很高的立體專一性,原料雙烯體與親雙烯體的構(gòu)型在D-A反應產(chǎn)物中可以得到很好的體現(xiàn)(本節(jié)將通過具體案例深入討論),同時,D-A反應還具有立體選擇性,反應優(yōu)先選擇endo加成(內(nèi)型加成)方式(詳見基礎(chǔ)有機化學教材中對“次級軌道相互作用”的描述)。
通常,形成環(huán)狀化合物可以很好地進行立體化學的控制,注意,這里的“環(huán)狀化合物”指的是通過環(huán)狀過渡態(tài)進行的反應或者底物為環(huán)狀化合物,主要可分為以下幾個系列:


  • 通過環(huán)狀過渡態(tài)生成環(huán)狀化合物;

  • 環(huán)狀化合物的反應;

  • 環(huán)狀過渡態(tài);

  • 通過環(huán)狀化合物生成非環(huán)狀化合物;

  • 開鏈的立體選擇性。


D-A反應則屬于第一種——通過環(huán)狀過渡態(tài)生成環(huán)狀化合物,該反應是同時引入幾個手性中心的好方法,最多可同時引入4個手性中心。下面我們將借助具體的反應實例來討論D-A反應是如何引入手性中心以及新形成的手性中心構(gòu)型的判斷。我們先從(2E, 4E)-2,4-己二烯1與反式丙烯酸衍生物2的環(huán)加成說起。



這個反應是從不含手性中心的底物一次性生成含有四個手性中心的產(chǎn)物,且反應并沒有進行對映選擇控制,因此得到的產(chǎn)物3為一對外消旋體。上述反應體現(xiàn)了D-A反應的兩個立體化學特性,一個是立體專一性——即不飽和酸2的trans-關(guān)系體現(xiàn)在產(chǎn)物構(gòu)型中,以及雙烯體1的兩個甲基最終停留在產(chǎn)物的同一邊,另一個是立體選擇性——如無特殊條件,D-A反應一般采取endo的加成方式若無特殊說明,下文中的其他D-A反應都默認采取endo的加成方式)。為了更好地理解上述的特征,我們從三維空間的角度來仔細研究該反應的反應歷程。



如上圖所示,由于該反應中不存在手性條件,因此,不飽和酸2以同等概率分別從面上面下接近雙烯體1進行反應,最終使得產(chǎn)物為一對外消旋體。類似地,當不飽和酸或二烯體的構(gòu)型發(fā)生變化時,我們可以參照上圖的方式來推測產(chǎn)物的構(gòu)型,可以看出,產(chǎn)物5仍然是一對外消旋體,同時不飽和酸2與雙烯體4的構(gòu)型在產(chǎn)物5中也得到體現(xiàn)。



當不飽和酸2的構(gòu)型發(fā)生變化時,產(chǎn)物立體構(gòu)型的分析方法與上述雷同,此處不再贅述。


當雙烯體1與順式烯烴6反應時,產(chǎn)物的構(gòu)型如何呢?由于該反應也不存在對映選擇控制,因此,烯烴6可從上下兩面接近雙烯體1進行反應,運用上述分析方法,我們可以畫出該反應的反應歷程,這時我們可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)物7為單一構(gòu)型,這時因為雙烯體1與烯烴6均具有對稱性的緣故。





在不對稱合成領(lǐng)域,不對稱D-A反應很常見,在天然產(chǎn)物全合成領(lǐng)域,不對稱D-A反應是一種強有力的工具。不對稱合成中,我們的目的只是為了獲得某一種構(gòu)型,這時就需要往反應體系中引入特定的手性條件來對引導反應往我們所需絕對構(gòu)型的產(chǎn)物的方向轉(zhuǎn)化。

化合物8可與苯丙烯醛化合物縮合形成亞胺鹽9,形成的亞胺鹽9可作為手性催化劑催化苯丙烯醛類化合物作為親雙烯體參與的不對稱D-A反應,具有良好的對映選擇性,反應結(jié)束后,通過水解亞胺鹽釋放出醛基。一個例子是環(huán)己二烯與苯丙烯醛在8的催化作用下發(fā)生不對稱D-A反應,以94%的ee值得到產(chǎn)物10。


反應過程中,首先是底物苯丙烯醛與手性催化劑8縮合形成亞胺鹽中間體9,所形成的亞胺鹽碳氮雙鍵一般為E構(gòu)型,E構(gòu)型可避免底物雙鍵與雙甲基甲基取代基之間的非鍵相互作用,催化劑8骨架上的芐基(Bn)可有效地阻止雙烯體的接近,保證雙烯體從其背面進攻苯丙烯醛發(fā)生對映選擇性的D-A反應。






Oppolzer手性樟腦內(nèi)磺酰胺11是一種已商業(yè)化的手性助劑,廣泛用于不對稱合成中,同樣在不對稱D-A反應中也應用廣泛。一個例子是11與丙烯酰氯縮合生成中間體12,在Lewis酸EtAlCl2的催化作用下與雙烯體1,3-丁二烯發(fā)生D-A反應,產(chǎn)物13是一個單一構(gòu)型化合物,經(jīng)LiOH水解后得到單一構(gòu)型的化合物14。

如圖所示,Lewis酸與O原子的配位作用束縛了酰化的Oppolzer手性樟腦內(nèi)磺酰胺構(gòu)象,使雙烯體只能從遠離“樟腦籠”的空間位阻較小的下方進行反應,因此產(chǎn)物13為單一異構(gòu)體。值得注意的是,上述Oppolzer手性樟腦內(nèi)磺酰胺11的對映異構(gòu)體也是商業(yè)化試劑,因此化合物14的對映異構(gòu)體也可以通過相同的方法制備。



其他不對稱D-A反應的分析過程與上述大同小異,再此便不再贅述。D-A反應是可以一步引入多個手性中心(最多4個)的方法,在天然產(chǎn)物全合成環(huán)系構(gòu)建中是一利器,對新形成的手性中心的構(gòu)象分析不容忽視。






參考文獻:
[1] 《基礎(chǔ)有機化學》——邢其毅(第四版)
[2] Organic Synthesis: Strategy and Control (Paul Wyatt and Stuart Warren)
[3] J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 4243.
[4] J. Am. Chem. Soc., 1984, 106, 7854.




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