高考化学拓展环系构象分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,2023/6/5 Monday,#,环系构象分析,Wang Lab Seminar,Mar.2021,Xu Jianing,2,Xu J.cyclopentane seminar,五元环的构象分析,无取代的环戊烷，构象是流变的。主流认为的主要构象有,Cs,信封式（,envelope,）构象与,C,2,半椅式（,half-chair,）构象，结构和能量差别都很小（半椅式约高出,0.5kcal/mol,），但计算算出的,Cs,信封式有虚频。,不论何种构象，都包含不可避免的近重叠式结构,。,C,2,半椅式构象（,PBE0-D3(BJ)/def2-SVP,）,信封式构象（实际上非,Cs,）,单取代的环戊烷则真正变成了,Cs,信封式构象（可以看作是一个削角的椅式构象），取代基处于脱离平面的碳的,eq,键上（对于甲基,A,值约为,3.4kcal/mol,）：,包含一个全重叠亚乙基的甲基环戊烷优势构象（,Cs,）,trans-1,2-,双取代的环戊烷采取半椅式构象，非极性取代基处于双,-eq,位：,trans-1,2-,二甲基环戊烷优势构象（,C,2,）,3,Xu J.cyclopentane seminar,trans-,双极性取代基倾向于处于双,-ax,位（,why,？）,显然是因为,C-Cl,处于双,-ax,位偶极相互作用更有利。若双,-eq,位只能抵消,Z,方向偶极。,trans-1,2-,二氯环戊烷优势构象（,C,2,）,实例：分析下列三种酰胺发生,HAT,的速率为何是这样？,k,H,(norm),M,-1,S,-1,2.010,5,1.710,5,7.810,4,2.310,6,R=Me,R=Et,R=,i,Bu,（,B3LYP-D3(BJ)/6-31G*,）,乙酰四氢吡咯基态构象中就有,C-H,键近乎垂直于平面，与,N,的孤对电子共轭的,C-H,键更富电子。虽然反应是,Curtin-Hammett,控制的，但开链的底物达到过渡态构象要克服旋转带来的,A,1,2,或者,A,1,3,。,4,Xu J.cyclopentane seminar,为环戊烷消除重叠式结构：在环上增加,sp,2,碳,环中出现一个,sp,2,碳时（以环戊酮为例），把何种构象中的哪个,sp,3,碳替换为,sp,2,碳能最大程度上消除重叠式张力呢？,将,C,2,半椅式构象中,C,2,轴上的,sp,3,碳替换为,sp,2,碳，可解除两个重叠式张力,环中出现一个双键时（以环戊烯为例），把,Cs,信封式构象中重叠程度更高的亚乙基替换为双键可很大程度上消除重叠张力，但,角张力有所增加,(,对比乙烯中,H-C-C,键角略大于,120),：,实例：给出四氢吡咯的稳定构象并指出其被亲电,HAT,试剂攫氢发生在哪个碳氢键上？质子化的四氢吡咯呢？,四氢吡咯优势构象（,Cs,）,M06-2X-D3(0)/def2-SVP,CDFT,双描述符等值面,iso=0.0034,质子化四氢吡咯优势构象（,C,2,）,M06-2X-D3(0)/def2-SVP,Why not,eq,-H?,5,Xu J.cyclopentane seminar,对于包含不同数量,sp,2,碳的五元环，环张力排序为：,对于有一个,sp,2,碳的情况，减少的重叠式张力超过角张力的增加。,在,5-,环中形成或保留环外双键是有利的；在,6-,环中形成或保持环外双键是不利的。,5,5-,并环体系中，,trans-fused,张力比,cis-fused,张力高,27kJ/mol,左右。因此生成,5,5-,并环环化反应强烈倾向于,cis-fused,。,实例：,Laurencia,（,Scott A.Snyder,2011,）,给出反应的机理，确定两个新生成的手性中心的立体构型,反应的立体化学是溴鎓环化这一步确定的。醚的氧有两对孤对电子，可以从两个路径进攻溴鎓，分别形成两种过渡态,一种是,5,5-cis-fused TS,，另一种是,5,5-trans-fused TS,。,体系中可逆地生成两种非对映异构溴鎓中间体，醚氧可以分别对它们进行,trans-fused,进攻和,cis-fused,进攻,因此溴鎓环化的时候有至少可能有四种过渡态。,5,5,并环体系,trans-fused,张力远高于,cis-fused,，而这个体系,cis,过渡态没有明显的不利作用，可以认为反应主要经历,cis-fused TS,。,cis-fused TS,对应的两种溴鎓，一种是溴鎓朝向融合环系的,exo,侧，另一种朝向,endo,侧。,endo,侧的溴鎓会受到另一个环的位阻排斥，导致其倾向于,exo,环化。我们因此可以画出我们认为最有利的,cis-fused-exo TS,，新生成的手性中心立体化学是正确的。,之后是一个满足立体电子效应的,semipinacol,重排。醇羟基,位的,C-H,与,oxocarbenium,的,C-O,键反式共平面。去质子化得到产物。,6,Xu J.cyclopentane seminar,实例：,Illicium,Sesquiterpenes,（,Zhang Y.,2021,）,对于烷基化这种早期过渡态（,early TS,）的反应，,基态,构象分析是更重要的。（构象转化能垒接近甚至高于反应能垒，反应不由,Curtin-Hammett,控制）,。如何解释下面酯的,-,烯丙基化反应立体选择性？,非优势构象,+,ca.,11,kJ/mol,rxn,G,=,ca.,8,kJ/mol,优势构象,rxn,G,=,ca.,8,kJ/mol,B3LYP-D3(BJ)/6-31+G*,计算得到的烯丙基化反应,IRC,：,由于反应使用了,KHMDS,和,HMPA,，负离子中间体接近于无溶剂化，反应能垒和计算接近。我们考察负离子中间体的基态构象：,early TS,甲基阻止亲电试剂从上方靠近,7,Xu J.cyclohexane seminar,六元环的构象分析,不像环戊烷，环己烷构象有着清晰的势能面。,half-twist,构象：注意并非五个碳处于同一平面,（,+10.8kcal/mol,一阶鞍点，,PBE0-D3(BJ)/def2-SVP,）,boat,构象含有,flagpole interaction,并包含重叠式构象,（,+6.7kcal/mol,一阶鞍点）,twist-boat,构象：注意上面两种皆是,twist-boat,常见画法,（,+5.5kcal/mol,，极小值点）,此处给出六元环构象相互转化的,IRC movie,：,twist-boat,boat,twist-boat,chair,half-twist,twist-boat,8,实例：,Chilocorine C(Scott A.Snyder,2020),环加成的立体选择性如何预测？,需要考虑的影响反应立体选择性的因素有：,氢键催化,形成分子内氢键可以降低硝酮,LUMO,exo/endo,选择性,烯基醚倾向于从,exo,方向接近,syn-pentane,作用,R,L,不能朝向环内侧,Frst-Plattner,规则,倾向于椅式过渡态,+,ca.,10kJ/mol,非椅式的过渡态,另一个半椅式构象的硝酮为避免,syn-pentane,作用，而使羟基远离硝酮的氧,无法产生氢键催化，亲电活性下降,环己烯的构象称为,half-chair,：,Xu J.cyclohexane seminar,构象对化合物性质的影响：,实例：,Meldrums,acid,米氏酸（,Meldrums acid,）是一个合成中常用的,1,3-,二羰基化合物。其可以由丙酮和丙二酸在醋酸酐条件下反应合成。,1908,年初次被合成时，其因,异常强的酸性,被误认为是羧酸（,pKa=7.32 in DMSO,，与普通羧酸相当），直至,1948,年才被确认正确结构。,米氏酸的酸性一直是一个谜团。相较于普通的丙二酸酯型化合物（丙二酸二乙酯，,pKa=16 in DMSO,），米氏酸的酸性强了约,9,个数量级。是什么原因导致的其如此异常的酸性？人们发现这个问题并不简单,多种因素共同导致了其异常的酸性：,酯基的,E,式构象,米氏酸的构象被限制为船式（,why,？），这导致酯基的构象为,E,式。,E,式酯基中缺少了,O Lp,C-O,*的超共轭，并出现了偶极排斥。,E,式酯和,Z,式酯的烯醇盐能量差别很小，但未烯醇化的酯能量差别较大。根据计算，由于酯基的,E,式构象导致约,20kJ/mol,（约,4,个,pKa,单位）的酸性增强。,大环,1,3-,二酯的酸性与开链,1,3-,二酯相近（,13,、,15,元环：,pKa,15,）,米氏酸去质子化后，环上,O,对羰基的共轭程度下降，因此异头效应的稳定化增强（米氏酸阴离子的,LOL-pi,等值面图，,iso=0.13,）,米氏酸稳定构象,opt:PBE0-D3(BJ)/def2-TZVP,研究发现,1,3-,二羰基化合物的酸性与将要解离的,C-H,键与羰基的二面角有很好的相关性。二面角越接近,90,，酸性越强。这表明了基态的轨道,D-A,相互作用是非常重要的。,桅杆作用,是否对酸性有所贡献存疑。,米氏酸阴离子稳定构象,Xu J.cyclohexane seminar,米氏酸阴离子,LOL-pi,等值面图，,iso=0.13,9,10,Xu J.proximity effect seminar,当心跨环导致的反应位点临近！,实例：,()MerrilactoneA,（,Wang B.,2018,）,在试图将环氧化合物,12,用,Nugent-RajanBabu,反应转化为三环化合物,13,的过程中，出现了,40%,意料之外的笼状副产物,14,。,Chem.Eur.J.,2018,24,1651116515.,IRC:B3LYP-D3(BJ)/6-31G*,，,Ti,用甲基代替便于计算,用反应的,IRC movie,直接展现反应历程，虽然第二步是吸热的，但成笼很自然！（如何提高主产物的比例呢？）,11,实例：,(+)-Waihoensene,（,Yang Z.,2020,）,如下合成中间产物用,MHAT,还原为什么可以得到,axial,的甲基？（催化氢化得到,equat.,甲基）,这个反应的机理是,MHAT,生成,3,碳自由基，然后发生分子内,HAT,。通过氘代实验验证了这一点：只把底物溶于,d,6,-,乙醇并不出现羰基,-,位氘交换。,由于环系的融合，自由基中心可以靠近羰基的,-H,。这也提醒我们，,多并环体系中的跨环临近作用不仅应当被考虑到，而且在关键的步骤中可以为我们所用,。另外即使是多个五元环融合，构象还是比较柔性的。,自由基中间体的两个优势构象，能量几乎相等,1,4-HAT,和,1,5-HAT,的过渡态结构，能量相差不大,Xu J.proximity effect seminar,12,从势能面看，反应更倾向于,chair-1,4-HAT,（,TS1,）。,1,5-HAT,由于反应位点在基态的距离稍远而稍有不利。,Boat-HAT,则是非常不利的（,why,？）,Xu J.proximity effect seminar,13,反应位点的临近是环化反应的重要影响因素,实例：,principinol D(Timothy R.Newhouse,2019),+,ca.,25kJ/mol,不利的构象,有利的构象，避免了,A,1,3,张力与,syn-pentane,作用,但反应位点变远了,实例：,Petrosin(Hidetoshi Tokuyama,2010),失败的,RCM,，大环的构象涉及尤其重要（熵效应开始,主导,）。,实例：,atropurpuran(Qin Y.,2016),当羟基换为,OTBS,时，氢键作用消失，为了避免和邻位基团的张力，中间的六元环变为船式构象，反应位点靠近。,Xu J.proximity effect seminar,14,Xu J.cyclop