大学化学, 2020, 35(7): 166-170 doi: 10.3866/PKU.DXHX202001004

师生笔谈

环氧乙烷亲核开环的区域选择性规则在有机化学教学中的应用

许家喜,, 陈宁

Application of the Regioselective Rule in the Nucleophilic Ring Opening of Epoxides in Organic Chemistry Teaching

Xu Jiaxi,, Chen Ning

通讯作者: 许家喜, Email: jxxu@mail.buct.edu.cn

收稿日期: 2020-01-2   接受日期: 2020-02-6  

基金资助: “有机化学”和“中级有机化学”一流课程建设项目

Received: 2020-01-2   Accepted: 2020-02-6  

摘要

环氧乙烷亲核开环的区域选择性规则是有机化学中典型脂肪三元杂环亲核性开环的选择性规则,具有普遍性。本文以非对称环氧乙烷的亲核性开环为核心,从开环反应过渡态稳定性的角度讨论了决定环氧乙烷亲核开环区域选择性的原因。介绍了该区域选择性规则在经过三元杂环正离子中间体的非对称烯烃亲电加成反应区域选择性教学中的应用。加强学生对不同反应的机理和选择性的联系,起到教学中融会贯通的作用,可以提高教学效率和效果。

关键词: 环氧乙烷 ; 区域选择性 ; 亲核开环 ; 教学 ; 应用 ; 规则

Abstract

The regioselective rule in the nucleophilic ring opening reactions of unsymmetric epoxides is a general selective rule of typical aliphatic three-membered heterocycles. The regioselectivity controlling factors were discussed from the stability viewpoint of transition states in the nucleophilic ring opening reactions of unsymmetric epoxides. The applications of the regioselective rule in teaching the regioselectivities of electrophilic additions of olefins involving three-membered heterocyclic intermediates in their reaction mechanisms were introduced. The students can gain a thorough understanding of mechanisms and selectivities in different reactions and improve teaching efficiency and results.

Keywords: Epoxide ; Regioselectivity ; Nucleophilic ring opening ; Teaching ; Application ; Rule

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许家喜, 陈宁. 环氧乙烷亲核开环的区域选择性规则在有机化学教学中的应用. 大学化学[J], 2020, 35(7): 166-170 doi:10.3866/PKU.DXHX202001004

Xu Jiaxi. Application of the Regioselective Rule in the Nucleophilic Ring Opening of Epoxides in Organic Chemistry Teaching. University Chemistry[J], 2020, 35(7): 166-170 doi:10.3866/PKU.DXHX202001004

有机化学反应的选择性一直是有机化学教学中的重点和难点,如果讲不清楚、讲不透彻,学生很难理解,只能靠死记硬背来学习,学习效果往往较差。区域选择性是有机化学的重要选择性之一,广泛存在于非对称底物或者试剂的有机化学反应中,如非对称烯烃的亲电加成、HBr对非对称烯烃的自由基加成、非对称环氧乙烷的亲核开环、非对称底物的Diels-Alder环加成反应等。在有机化学教学过程中,学生普遍感到有机化学中的区域选择性规律性不强,不好掌握,给学习有机化学带来很大困难。教师的责任就是传道、授业和解惑。经过多年的思考和研究,我们在教学过程中,把非对称环氧乙烷亲核开环的区域选择性规则,与亲电试剂对非对称烯烃经过三元杂环中间体机理的亲电加成反应的区域选择性密切联系,加深了学生对这两类反应区域选择性的深入理解,很好地掌握了这两类反应,体会到了有机化学反应的相互联系,以及以结构分析和机理为中心学习有机化学的优越性[1, 2]。我们在此介绍这一做法,希望能够对有机化学的教学提供参考和借鉴。

1 环氧乙烷亲核开环的区域选择性规则

在有机化学教科书中[3, 4],一般都会在醚的环醚部分讲授环氧乙烷的亲核开环反应。对于非对称的环氧乙烷,重点会讲授在碱性条件下亲核试剂有利于进攻环氧乙烷少取代的环碳原子,是空间位阻控制的亲核开环反应。而在酸性条件下,亲核试剂却是有利于进攻环氧乙烷多取代的环碳原子,是电子效应控制的亲核开环反应。学生比较容易理解碱性条件下空间位阻控制的区域选择性,而大部分学生对于酸性条件下,电子效应控制的区域选择性亲核开环反应却表示难于理解。尽管教科书通常也会解释,环氧乙烷的氧原子被质子化,氧原子带有正电荷,增加了氧原子对C―O键上电子的吸引力,削弱了C―O键。同时,这对电子会偏向氧原子,使碳原子带有部分正电荷,从而正电荷也会分散到三元环的碳原子上。取代多碳原子上的取代基由于超共轭效应(烷基)或者共轭效应(芳基或者烯基)对稳定正电荷有利,因此,其会带有或者分配到较多的正电荷,更容易受到亲核试剂的进攻,所以亲核试剂有利于进攻多取代的环碳原子(图1)。

图1

图1   非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应


学生往往对于多取代的环碳原子会分配到较多的正电荷,其更容易受到亲核试剂的进攻,特别不理解。他们往往会认为,由于取代基通过超共轭和共轭效应的给电子作用,应该降低了该碳原子的正电荷,就应该不易受到亲核试剂进攻了。而有机化学教学中对于这种电荷的多少,往往都是定性讨论,到底是氧原子吸走的电子多,还是取代基提供的电子多,对于大部分不熟悉量子化学计算的教师通常很难准确回答,给学生的理解带来困难。

在环氧乙烷酸性条件下亲核开环区域选择性控制问题的教学上,我们是通过环上电荷分布与过渡态的稳定性和能量来讨论的。环氧乙烷的氧原子被质子化,氧原子带有正电荷,增加了氧原子对C―O键上电子的吸引力,削弱了C―O键,同时,这对电子会偏向氧原子,使碳原子带有部分正电荷,有利于亲核试剂对其进攻。亲核试剂对环氧乙烷亲核进攻开环的过程其实就是SN2反应过程,在其过渡态中,亲核试剂进攻的、带有部分正电荷的环碳原子就由sp3杂化变为sp2杂化。如果亲核试剂进攻多取代的碳原子,其带有部分正电荷的p轨道就会与其上的取代基发生超共轭效应(烷基)或者共轭效应(芳基或者烯基),稳定该过渡态,降低该过渡态的能量,也正是由于这种超共轭效应或者共轭效应的稳定作用使得多取代的环碳原子带有较多的正电荷,使亲核试剂进攻多取代的环碳原子的途径变得有利。如果亲核试剂进攻少取代或者没有取代的碳原子,其p轨道与其上的取代基发生超共轭效应(烷基)或者共轭效应(芳基或者烯基)的作用就减少或者根本就没有,不利于稳定该过渡态,同时,取代少的环碳原子的p轨道就会带有较少的正电荷,该过渡态的能量降低较少或者根本就不降低,使亲核试剂进攻少取代的环碳原子的途径就变得不利(图2)。这也是在酸性条件下电子效应(包括超共轭效应和共轭效应)控制环氧乙烷亲核开环区域选择性的本质。通过这样的解释,学生就很容易理解带有正电荷的三元杂环亲核开环反应的区域选择性为什么与中性三元杂环的不同。

图2

图2   亲核试剂进攻具有不同取代基质子化环氧乙烷环碳原子的过渡态的电子效应

δ++仅表示带有较多的正电荷,δ+仅表示带有较少的正电荷
(a)进攻带有双甲基的环碳原子(双超共轭效应);(b)进攻同时带有甲基和苯基的环碳原子(超共轭效应和共轭效应);(c)进攻带有烯-1-基的环碳原子(共轭效应);(d)进攻不带取代基的环碳原子(无任何电子效应)


当然,环氧乙烷亲核开环的区域选择性远不像教科书说得那么简单,为了系统研究非对称环氧乙烷亲核开环的区域选择性,我们系统地总结了文献报道的结果[5],同时也开展了相应的研究[6],总结的非对称环氧乙烷亲核开环的区域选择性在此不再赘述,以免干扰基础有机化学教学,感兴趣的读者可以阅读相关文章。

2 环氧乙烷亲核开环的区域选择性规则在烯烃亲电加成反应教学中的应用

烯烃的亲电加成按照反应机理来分类,一般主要分成两大类。一类是强酸(如硫酸、氢卤酸、三氟乙酸等)对烯烃的亲电加成或者酸催化的弱酸性物质(水、醇、酚等)对烯烃的亲电加成。该类反应的机理是烯烃先与氢质子加成,形成稳定的碳正离子中间体,然后再发生亲核加成,反应中形成的碳正离子的稳定性决定了该类反应的区域选择性。另一类是经过三元杂环正离子中间体,然后再对该中间体亲核开环的机理。该类反应包括卤素和卤化碘与烯烃的加成、卤素的水或者醇溶液与烯烃的加成、烯烃的氧汞化-去汞反应、烯烃的环氧化反应等。其中经过三元杂环正离子中间体机理的烯烃亲电加成反应的区域选择性就可以利用环氧乙烷亲核开环的区域选择性规则来解释,方便教学和学生理解。下面将通过实例来说明。

2.1 卤化碘对烯烃的加成

卤素氯和溴对非对称烯烃的亲电加成虽然也经过三元杂环正离子中间体,但是,由于加上去的两个原子是一样的,就不存在区域选择性问题。卤化碘与烯烃的加成可以得到含有两种不同卤原子的邻二卤代烷。卤化碘与非对称烯烃的亲电加成,由于加到C=C双键上的两个卤原子不再一样,就存在区域选择性的问题。根据反应机理是亲电加成,我们知道是卤化碘中具有电正性的碘(碘的电负性比氯和溴的小,卤碘键的电子偏向卤原子)先与C=C双键发生亲电加成,形成碘杂三元环正离子中间体,然后卤素负离子,氯离子或者溴离子再对该三元杂环亲核开环就得到加成产物。反应中形成的碘杂三元环正离子中间体相当于质子化的环氧乙烷的等电子体,因此,最后一步亲核开环反应的区域选择性就可以按照质子化的环氧乙烷亲核开环的区域选择性来判断。该反应的第一步形成碘杂三元环正离子中间体没有区域选择性问题,第二步亲核开环的区域选择性就是该反应的区域选择性(图3) [4]

图3

图3   卤化碘对非对称烯烃的区域选择性亲电加成反应


2.2 卤素的水或者醇溶液与烯烃的加成

卤素的水或者醇溶液与烯烃的亲电加成可以制备邻卤代醇或者醚。与卤素与烯烃的亲电加成机理相似,首先也是卤素先与C=C双键发生亲电加成,形成卤杂三元环正离子中间体,然后作为溶剂的大量水和醇作为亲核试剂对该三元杂环亲核开环,再去质子化就得到加成产物。虽然第一步亲电加成也形成了卤素负离子留在反应体系中,并且其亲核性一般来说比水和醇的亲核性要强,但是其浓度太低,所以是大量的水或者醇作为亲核试剂参与反应。与前面相似,反应中形成的卤杂三元环正离子中间体相当于质子化的环氧乙烷的等电子体,因此,亲核开环反应的区域选择性就决定了该类反应的区域选择性(图4) [4]

图4

图4   卤素与水或者醇对非对称烯烃的区域选择性亲电加成反应


戊-4-烯酸在饱和的碳酸氢钠水溶液中与溴反应,得到5-溴甲基二氢呋喃-2(3H)-酮。该反应首先发生酸碱反应,形成烯酸钠盐,然后溴与C=C双键发生亲电加成,形成溴杂三元环正离子中间体,最后,羧酸根负离子对三元杂环区域选择性地亲核开环,分子内的亲核开环比分子间的快,得到5-溴甲基二氢呋喃-2(3H)-酮(图5)[4]

图5

图5   溴与烯酸的分子内区域选择性加成反应


2.3 烯烃的氧汞化-去汞反应

烯烃的氧汞化-去汞反应包括羟汞化和烷氧汞化-去汞反应,可以用于由烯烃制备醇或者醚。通常使用醋酸汞作为试剂,其解离掉一个醋酸根形成单醋酸汞离子作为亲电试剂,先与C=C双键发生亲电加成,形成汞杂三元环正离子中间体,然后水或者醇作为亲核试剂对该三元杂环亲核开环就得到加成产物,再硼氢化钠还原去汞就得到醇或者醚。反应中形成的汞杂三元环正离子中间体也相当于质子化环氧乙烷的等电子体,因此,亲核开环一步反应的区域选择性就可以按照质子化环氧乙烷亲核开环的区域选择性来判断。第二步亲核开环的区域选择性就是该反应的区域选择性(图6) [4]

图6

图6   非对称烯烃的区域选择性氧汞化-去汞反应


戊-4-烯-1-醇可以发生分子内的羟汞化-去汞反应区域选择性地形成2-甲基四氢呋喃(图7) [4]

图7

图7   非对称烯烃的分子内区域选择性氧汞化-去汞反应


3 结语

环氧乙烷亲核开环的区域选择性是学生在学习有机化学过程中接触的第一个三元杂环的选择性亲核开环反应,把该选择性讲清楚、讲透彻,对于接下来讲授经过三元杂环中间体机理的烯烃亲电加成反应的区域选择性的讲授和学习具有重要作用。环氧乙烷亲核开环的区域选择性讲清楚了,学生掌握好了,经过三元杂环中间体机理的烯烃亲电加成反应的区域选择性提一下学生就清楚了,既节省了学时,又提高了学生的学习效果。这种关联式的教学可以起到举一反三的作用,但又不是简单重复,通过学习反应机理,可以更好地加强学生对有机化学的理解,提高学生学习有机反应机理的兴趣和对学习有机反应机理重要性的认识,便于学生学好有机化学知识。

参考文献

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