高等有机合成化学 02.5 成环反应

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R Me3SiO Me3SiO HCl R' Br OH OHO O R R' LiI CH2Cl2 R R' 95%
O
97%
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第三种方法是利用两个重键的光或热驱动的[2+2] 环加成反应。反应结果两个重键连接成四元环, 加热或光照则取决于两个∏ 键的对称性。
O C C H3C Ph O2N NO2 F F Ph Ph 130 C Cl F HV CH3 Ph HV O2N Cl CH3 CH3 O NO2 77% Ph Ph
2.5
成环反应
2.5
成环反应
三元环
四元环
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4 2.5.5 2.5.6
五元环
六元环 中环与大环 杂环的形成
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本节预备知识
1.卡宾结构特征和化学性质
2.羟醛缩合反应机理 3.双烯合成的反应机理
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3
2.5
成环反应
环的特点是具有闭合的分子骨架。
H3 C
O O O CH3 O
+
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CH3OCH2 COCH2 CH2OCH3 O OMe
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O H3C Cl CHCH2Cl
O R H3C
+
(CH3O)2 PCH2COCH2R
O Cl SnBu3H O
40-60%
O CO2 Et
O
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3.5.5 中环与大环
虽然七元以上的中环、大环属于无张力烷,但当使 用开链分子关环的方法合成这些环时,由于碳链较 长,分子两端相遇的机会比较小,因此不容易成环。
O
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O Cl O O Cl
O O O O O
73%
O
H2O O 80%
H2O O 80%
O
O
O Cl
O
O
O H2O,HOAc 12hr Cl 80% H2O,HOAc 12hr
O
O1) AlCl3 O 2) OAc
O
80%
17
3.5.4 六元环
六元环是最典型的无张力环系,在自然界中分布 很广,其中很多化合物例如甾体、萜类具有很强的 生理效应或经济价值。 例如分子内的羟醛缩合、酯缩合反应、丁二酸酯与 芳环的傅-克反应等,都可形成一个新的六元环。
(a) 构型保持 同向加成
H CO 2Et CO 2Et CO 2Et H H CO 2Et
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+
H
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双烯体
亲双烯体
加合物
(b)产物以内型为主
环戊二烯与亲双烯体的Diels-Alder反应,产物以内型为主。
H C CH2 CO2Me H COOR 76%
内型产物为主
COOR H 24%
COOC2H5 COOC2H5 63% S S 60-81%
CH2(COOC2H5)2 SH SH
Br(CH2)3Br
C2H5ONa
1)H+ HCHO 2)C H ONa 2 5
S S
Br(CH2)3Br
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形成环丁烷的另一种方法是利用环丙烷的扩环反应。 由于环丙烷容易从烯与卡宾的加成而获得,该方法 有应用价值
O
O
CH3COCH2CH2N(CH3)3I 1) NaNH2 2) H2O O
O
CH2=CHCOCH3 C2H5ONa/C2H5OH O OH O O
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形成六元环最重要的方法是双烯合成反应。 该反应又称为Diels-Alder反应。 是共轭双烯与烯烃在加热条件下在两头彼此加成,得环 己烯衍生物。 其中,共轭双烯称为双烯组分,烯烃称为亲双烯组分。 反应按协同方式进行。两种组分通过六元环过渡态一步 成环,没有中间体,这种反应称为周环反应。 反应的协同性必然导致立体化学的专一性。
+
O
O O O
+
O O
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除上述反应外,苯及其衍生物的部分或全部氢化也是制备 六元脂环的一个重要手段。在工业上,大量的苯用于制备 环己烷,后者是生产合成纤维的重要原料。有关的反应在 还原反应一章中讨论。 近年来,形成六元环的方法获得了一些进展,下列是 一些较新的反应。
73 75
- %
论。
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3.5.1 三元环
分子内的烷基化是形成三元环的经典方法。 当丙烷一端含有一个好的离去基,另一端含有强
吸电子基时,经分子内的烷基化反应可形成环丙 烷衍生物。
NaNH2 Cl
CH2(COOC2H5)2
CN 50%
CN
Br(CH2)2Br C2H5ONa
C(COOC2H5)2
CO2C2H5
1
) Na, xylene
O
66%
CO2C2H5 )H O 2 2
OH
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3.5.6
杂环的形成
成环原子中含有碳以外的元素时,称为杂环。 杂环种类繁多,数量极大,约占有机化合物总数的1/3 以上,是有机化学中最庞大的领域。 在自然界中广泛存在杂环化合物。例如,碳水化合物、 叶绿素、血红素和绝大多数生物碱都是杂环化合物,酶、 辅酶以及生物体内也大多含杂环结构。 许多杂环化合物对生命现象有重要功能。例如遗传可归 结于核酸长链上的六种杂环的排列,治病的药物无论是天 然的还是合成的,许多含有杂环结构。 在合成中,杂环化合物越来越多地用作合成的中间体、 保护基或等价基团。所以,研究杂环的形成是必要的和重 要的。
ThO2
(CH2)n
C
O
Ziegler根据高度稀释的反应溶液,可减小分子间作用的机会, 提高分子内反应的原理,在极稀的,-二腈溶液中进行环化反 应,经过一种与Dieckmann反应类似的分子内缩合反应得环酮产 物。根据所用二腈碳原子数不同,可得5-33元环酮。该方法称 为Ziegler反应。 采用很稀的二腈醚溶液进行反应的目的是避免分子间反应的发 生。在该情况下,可获得较好的产率。该方法的收率比Ruzicka 法好高。其中,5 8元环的产率在95%以上,14 33元环的 产率在60 90%之间,但合成9 13元环时产率很低,所以该 方法不适合9 13元环的合成。
COOC2H5 58%
CHBr3
KO(CH3)3
79%
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二碘甲烷同锌铜合金一起与烯烃作用, 是生成环丙烷的一种非常有效的方法, 称为Simmons-Simith反应。
HO CH2I2 Zn Cu HO 66% CH2I2 Zn Cu (ICH2)2Zn ZnI2
.
ZnI CH2 I
14
77%
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71%
分子内的光驱动的[2+2]环加成反应可用于合成一些 用一般方法难以合成的分子。例如:
H CO2 CH3 hv
74%
H
CO2 CH3
CO2 CH3 CO2 CH3 AlCl3 CH2 Cl2
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hv CO2 CH3 CO2 CH3 AlCl3
25
%
[Hale Waihona Puke Baidu
] Hv
COOR (CH2)n COOR ONa (CH2)n ONa n = 6-11
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C
O OR O (CH2)n C C (CH2)n C H OH O C
O OR O OR
+
xylene Na (CH2)n C OH2
OR
30
分子内的酯缩合反应是酮醇缩合的主要竞争反应,但可通 过加入(CH3)3SiCl来抑制。该反应主要用于813元环的制 备,为了防止分子间反应的发生,酮醇缩合需要在高度 稀释的条件下进行。例如:
55%
5
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卡宾对烯键的加成是形成三元环的最普通的方法。
单线态和三线态卡宾与烯烃加成都可得到环丙烷衍生物, 但不同电子状态的卡宾表现出不同的立体化学特征。 单线态按协同机理,所得环丙烷保持起始烯的构型; 三线态按分步机理,由于加成形成的自由基有足够时间绕 C-C单键旋转,于是得到顺、反异构体的混合物。
CH2I2 Zn Cu Me3SiO
75%
O
CH3CHI2 (C2H5)2Zn
O 81%
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卡宾和烯烃的加成也可在分子内进行,这是 制备高张力环丙烷衍生物的重要途径
Cl
H 3C (CH3)2C=CHCH2CH2
NaNH2
:
H
70%
O H 3C N 66%
CH2CH2CH2CONH2 (CH3)2C=CHCH2CH2
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双烯合成中,存在着取代基电子效应的 显著影响。 带有给电子取代基的双烯组分可加速反 应,而吸电子取代基则使反应速度减小。 反之,在亲双烯组分中,吸电子基团加 速反应,给电子基团抑制反应。 双烯合成是可逆反应。在一定条件下环 己烯衍生物可分解为丁二烯和乙烯衍生 物。

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CN CH2CN (CH2)n CH2CN
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C6H5N(CH3)Li
(CH2)n
NLi
1)H2SO4 2)-CO2
(CH2)n
O
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中环可由,-二元酸酯的酮醇缩合(acyloin condensation) 来制备。该反应称为Bouvrault反应。 在金属钠的惰性无水溶剂中,两个酯基分别形成自由基负离子, 然后相连接,所得中间体极性与钠作用成烯二醇钠,经水解 得环状-酮醇。
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与此类似的一个反应是索普(Thorpe)反应。,- 庚二腈 在金属钠作用下,一个-活泼氢加到CN叁键上,再经水解, 即得-环酮羧酸,后者加热脱羧,即是环己酮:
CN Na CN
CN NH
1 2
COOH )OHO O )H+
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另一个形成六元环的反应是Robinson增环反应。环酮与,不饱和酮或-氨基酮的季铵盐,在曼尼希碱存在下经历 Michael加成反应,首先在酮的-位引入烃基,然后再进一 步发生分子内羟醛缩合,形成一个与原料并接的稠六元环化 合物,后者失水而成双环,-不饱和酮。一些典型实例如下:
(c)Diels-Alder反应的定向作用
Ph Ph CHO CH O
Ph CHO
+ CHO
主要产物 少量
CH3 CHO
H3C CH
H3C
+
O
CHO 主要产物 少量
CHO
邻、间位取代,以邻位为主; 对、间位取代,以对位为主。
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多环芳烃也能发生双烯合成反应。例如蒽、 -乙烯萘等。
R H R
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H R'2C: R H R
R' R' R H H R H
R' R' R H H R
H
. R'CR' .
R H
. .
R' R' H H
6
R CR'2
R
R
在不同条件下得不同电子状态的卡宾,从而得不 同构型的环丙烷衍生物。一些反应如下:
N2CHCOOC2H5 Br Br CH3 CH3
根据结构可分为脂环和芳环两大类。
每一类可分为碳环和杂环,单环和多环等类型。
在脂环中,根据成环原子数多少,又可分为三元环、
四元环、五元环等不同元数的环系。
八至十二元环称为中环,十二元以上称为大环。
这里仅对常规脂环和芳杂环的合成方法进行简单讨
其中,三、四元环称为小环,五六元环称为普通环,
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例如2-甲基-1,3-环戊二酮可用下列方法合成:
O ROOC O COOR
O
t BuOK
O
O
1)OH 2)
1)OH 2)
73%
ROOC O t BuOK 1) CH3NO2 O COOR ROOC COOH AlCl3 ROOC O HOOC 2)C2H5COCl O 1) CH3NO2 O COOH AlCl3 O Cl HOOC 2)C2H5COCl O O O O1) AlCl3 O 2) OAc Cl
H3C COCHN2 H3C
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H3C
O
H3C
10
3.5.2
四元环
四元环也是一种高张力烷,难于用一般方法合成。
合成环丁烷衍生物的通常途径:
活泼亚甲基负离子上的两次烷基化,
某些环丙烷衍生物的环扩大
光驱动的[2+2]环加成反应
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丙二酸酯、1,3-二噻烷的负离子同1,3-二溴丙烷的 二次烷基化反应是形成环丁烷衍生物的经典反应。
Simmons-Simith反应中真正的进攻试剂可能是碘代甲 基锌(ICH2)2Zn和二碘化锌的平衡物。是高度立体专一 的顺式同面加成。
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一些合成实例如下:
CH I ,Zn Cu COOCH31) 2 2 2) NaOH,H2O COOCH3
O OSiMe3
90%
ClSiMe3 Et3N
鲁齐卡(Luzicka)利用,-二羧酸与ThO2共热的方法,首先合成 了大环酮,该方法又称为Luzicka环化反应。其中最大的环达 到34元。5、6元环的产率可达80%,9 13元环产率非常低 (0.5%左右),13元环以上产率一般是5-6%。
CO2H (CH2)n CO2H
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20
%
15
3.5.3
五元环
五元环是自然界广泛存在的一种环系。近年来,随着一系列 具有理论和实际意义的含五元环化合物的制备,开发了许 多有价值的形成五元碳环的反应。文献上称这些反应是 cyclopentanelation(环戊烷成环反应)
总体说来,五元环一般是通过分子内环化反应而制 备的。1,4-、1,5-二羰基化合物分子内的羟醛缩 合或酯缩合反应是形成五元环最一般的方法。如 果所用的二羰基化合物本身是环结构的,反应结 果可得稠合的五元环化合物。
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