化学奥林匹克竞赛中的周环反应_黄昕晨.pdf

*中国化学会化学教育委员会“十四五”规划2 0 2 1年重点课题“新教育理念下化学课程资源开发与实践研究”(H J 2 0 2 1-0 0 3 9)*通信联系人,E-m a i l:8 3 4 9 8 9 5 3 2 q q.c o m化学奥林匹克竞赛中的周环反应*黄昕晨1*卓峻峭2 莫尊理3(1.深圳中学 广东深圳 5 1 8 0 2 4;2.重庆市南开中学校 重庆 4 0 0 0 3 0;3.西北师范大学化学化工学院 甘肃兰州 7 3 0 0 7 0)摘要 将2 0 1 62 0 2 1年高中化学竞赛中与周环反应相关的试题分为环加成反应、电环化反应、迁移反应和e n e反应等4类,分析了试题并给出了解题思路,总结了化学竞赛对周环反应的考查趋势,并对今后化学竞赛中周环反应的教学提出相关建议。关键词 化学奥林匹克竞赛 周环反应 环加成反应D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 8 0 0 4 5 周环反应指经历环状过渡态的协同反应(协同反应:一步完成多个化学键的生成与断裂,没有经历自由基、离子等活性中间体),反应条件一般为加热或光照,可以通过改变反应条件实现立体选择性。周环反应是构建分子骨架的重要手段,在全合成中有着不可替代的地位,是有机化学学习的重点14 0 9-4 4 5。从2 0 1 6年开始,化学竞赛中有机化学试题的难度迅速提升2-4,每年的试题都涉及周环反应相关的知识点。因此,研究近年化学竞赛中周环反应相关试题,深入分析解题思路,总结周环反应特点,增进师生对周环反应的认识和理解,对化学竞赛的教学显得非常迫切和必要。本文按照环加成反应、电环化反应、迁移反应和e n e反应等4个类别系统地讨论了2 0 1 6-2 0 2 1年高中化学竞赛中涉及周环反应的试题。1 环加成反应环加成反应中最常考查的是 4+2型(D i e l s-A l d e r反应)及其逆反应,其次是 3+2型(1,3偶极环加成)和 2+2型。基础有机化学教材中关于环加成反应的知识点主要包括:(1)D i e l s-A l d e r反应中构象和取代基电子效应的影响;(2)D i e l s-A l d e r反应的区域选择性;(3)D i e l s-A l d e r反应的立体选择性(内型产物或外型产物);(4)用前线轨道理论、芳香过渡态理论或能量相关理论解释环加成反应的立体选择规则(同面 同面加成或同面 异面加成)14 0 9-4 4 5。化学竞赛试题主要以合成中各类环加成反应的应用实例为素材,考查知识点(1)、(3),而对知识点(2)、(4)的考查较少。环加成反应可以灵活地构建各种环状结构,甚至能够利用串联反应一次性构建多个环,因此环加成反应在药物、天然产物的合成中应用十分广泛。1.1 2 0 2 1年决赛第一卷第8题(节选)题目:在天然产物a m a t h a s p i r a m i d e A的全合成中利用了M e3S i C HN2参与的偶极环加成反应5-6,画出图1所示全合成路线中化合物C、D和F的结构简式(不考虑产物的立体化学)。F i g.1 T o t a l s y n t h e s i s r o u t e o f a m a t h a s p i r a m i d e A(p a r t)图1 A m a t h a s p i r a m i d e A的全合成路线(部分)答案(图2):F i g.2 S t r u c t u r e o f C,D a n d F图2 C、D和F的结构思路剖析:A+BC是典型的B a y l i s-H i l l m a n反应,其机理如图3所示74 8-4 9。根据题目信息,DE包含1,3偶极环加成5112 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)F i g.3 R e a c t i o n m e c h a n i s m o f A+B C图3 A+B C的反应机理反应,可根据E的结构逆推D的骨架结构(图4)。首先找出D与TM S C HN2的连接位点(图4中用波浪线和箭头标出),可以看出波浪线标出的2根键是在1,3偶极环加成反应中形成的,而箭头标出的酰胺键是由酯基形成的。CDE的过程中C O OM e未参与反应,可知CD生成了一个新的酯基。观察CD的反应条件,C H3C(O E t)3在酸的作用下先发生质子化,然后脱去1分子E t OH得到具有强亲电性的正离子,所以C应使用亲核位点O H参与反应F i g.4 S p e c u l a t e s k e l e t o n s t r u c t u r e o f D a c c o r d i n g t o s t r u c t u r e o f E图4 根据E的结构逆推D的骨架结构(图5)。接下来在酸性条件下发生消除反应失去一分子E t O H,得到烯醇醚结构,该结构中CO易断裂,两侧都连有共轭体系,易发生 3,3迁移得到D(图5)。F i g.5 R e a c t i o n m e c h a n i s m o f C D图5 C D的反应机理 由D的结构可知DE分为3步(图6):(1)强碱夺取M e3S i C HN2中的H;(2)1,3偶极环加成;(3)加成 消除反应。F的分子式提示E的TM S被脱去,所以EF i g.6 R e a c t i o n m e c h a n i s m o f DE图6 DE的反应机理F应发生NN的断裂并生成C N。1.2 2 0 2 1年决赛第二卷第8题(节选)题目:2 0 1 1年,化学家利用不对称有机催化和串联反应,仅需1 2步就完成了S t r y c h n i n e(番木鳖碱)的全合成8,其部分路线如图7所示。已知B+CD经历了3步基本反应,画出B的结构,画出该串联过程中2个关键中间体的结构简式。611化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期F i g.7 T o t a l s y n t h e s i s r o u t e o f S t r y c h n i n e(p a r t)图7 番木鳖碱的全合成路线(部分)答案(图8):F i g.8 S t r u c t u r e o f s o m e i n t e r m e d i a t e s i n t o t a l s y n t h e s i s r o u t e o f S t r y c h n i n e图8 S t r y c h n i n e的全合成路线中部分中间产物的结构 思路剖析:AB是典型的W i t t i g-H o r n e r反应16 4 6-6 4 7,该反应具有立体选择性,生成含E型双键结构的B。B+CD的过程中,加入了酸和手性助剂NHR2,NHR2是二级胺,易与C的C HO缩合。由于B是亲核性物种(吲哚环的位),C是亲电性物种(,不饱和醛的4号位),C与手性助剂缩合后又能进一步提升亲电性,因此B+CD应分为4步(图9):(1)C中醛基与NHR2缩合,其产物也是关键中间体,但重要性不如I1和I2;(2)缩合产物与B发生形式上的 4+2反应(极性机理)形成关键中间体I1;(3)I1发生消除得到I2(a);(4)I2(a)发生分子内1,6加成,然后水解脱去手性助剂生成D。F i g.9 R e a c t i o n m e c h a n i s m o f B+CD图9 B+C D的反应机理 需要注意的是,I1D还有另一种合理的机理,即I1先发生分子内1,4加成得到I2(b),然后I2(b)经消除、水解生成D。本题要求写出2个关键中间体,既可以写I1和I2(a),也可以写I1和I2(b)。1.3 2 0 2 0年决赛第一卷第8题(节选)题目:化合物5在加热条件下发生 4+2环加成反应,形成活泼中间体B,B被氘代硫醚P h S C D3捕获得到氘代产物6和7(图1 0)9。画出B以及由B到产物6转化过程所经历的关键中间体的结构简式。答案:见图1 1。思路剖析:题目提示化合物5发生 4+2环加成反应,而5中没有碳碳双键,只能使用4个碳碳三键中的3个进行反应。理论上5B有2种4+2模式(图1 2),若按第一种模式反应,7112 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)F i g.1 0 C o n v e r s i o n o f c o m p o u n d 5 t o c o m p o u n d 6图1 0 化合物5转化为化合物6的过程F i g.1 1 I n t e r m e d i a t e s o f c o n v e r s i o n f r o m c o m p o u n d 5 t o c o m p o u n d 6图1 1 化合物5转化为化合物6的关键中间体得到七元环并六元环结构X,若按第二种模式F i g.1 3 R e a c t i o n m e c h a n i s m o f B 6图1 3 B 6的反应机理反应,得到五元环并六元环结构Y。X的七元环上有碳碳三键,因张力大而较不稳定,所以Y是更合理的 4+2产物(除此之外,6的结构也提示了 4+2反应形成的环系)。Y中的六元环在C3,C4,C5和C6之间有连续3个环内双键,可将C1-C2,C3-C4,C5-C6三个双键移至C2-C3,C4-C5,C6-C1,即为苯炔衍生物B,B与Y是完全等价的。B6的反应过程分析如下(图1 3):首先P h S C D3对苯炔结构亲核加成,由于各个取代基的总诱导效应不易比较,难以直接确定亲核加成的区域选择性,只能根据6的结构猜测P h S C D3进攻F i g.1 2 C o m p a r i s o n o f t w o m o d e s o f 4+2 c y c l o a d d i t i o n r e a c t i o n o f c o m p o u n d 5图1 2 化合物5发生 4+2环加成反应的2种模式对比811化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期C5,写出第一个关键中间体I1;为得到6,I1首先经五元环过渡态发生分子内氘的转移(分子内氘转移比I1与C H3C O OH的分子间酸碱反应更快),生成 更 稳 定 的 碳 负 离 子I2,然 后I2夺 取C H3C O OH的H生成I3,最后C H3C O O-作为亲核试剂进攻I3,生成化合物6和7。2 电环化反应电环化反应是共轭烯烃在光照或加热的条件下关环生成环状烯烃的反应(图1 4),其反应条件和电子数目决定反应的立体选择性(顺旋或对旋),电环化反应是可逆的14 1 1-4 1 7。F i g.1 4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f e l e c t r o c y c l i z a t i o n r e a c t i o n图1 4 电环化反应示意图2 0 1 9年初赛第8题介绍了一个与日常生活相关的电环化反应实例:共轭体系较小、无色的A被用于变色眼镜片,A在太阳光下可吸收紫外光,通过电开环反应转化为共轭体系较大、深色的B,从而保护眼睛;B在室内吸收长波长的光,又发生电环化反应,重新转化为A(图1 5)。F i g.1 5 C o n v e r s i o n b e t w e e n c o l