1 前言
立体电子效应是现代有机化学的核心内容之一[1]。传统的构象理论认为，在六元环状化合物的椅式构象中，空间位阻较大的基团处于平伏键的位置可以消除不利的1, 3直立键的空间排斥作用(图 1a)。然而，Edward于1955年首次在吡喃糖中发现[2]，当1位C上有卤素(F，Cl，Br)、烷氧基、酰氧基等吸电子基团时，它们却倾向于处于直立键(图 1b)。深入的研究表明，当这些吸电子基团处于直立键时，有助于吡喃糖上的氧原子的孤对电子与C―X反键轨道的最大重叠或最小化偶极-偶极作用，从而增强该构象的稳定性，这就是大家熟知的异头碳效应(anomeric effect) [3–5]。异头碳效应在糖化学领域有着十分广泛的应用，种类繁多的取代基都表现出一定程度的异头碳效应。
图1
2 金属异头碳效应
2.1 金属元素的种类和氧化态对金属异头碳效应的影响
利用密度泛函理论计算(DFT)对金属配合物的立体构象进行了能量分析。通过计算不同金属基团(M)取代的四氢吡喃化合物平伏键构象(Eeq)与直立键构象(Eax)间的能量差ΔE，用以判断金属异头碳效应的相对强弱(图 2)。若直立键构象的能量低于平伏键构象的能量(即ΔE > 0时)，表明该化合物具有金属异头碳效应。
图2
计算结果表明，取代基为碱金属和碱土金属(Li，Na，K，Be，Mg，Ca)的ΔE均为负值，说明1、2主族的金属化合物不具有金属异头碳效应。这显然与碱金属和碱土金属元素较小的电负性有关。金属元素的电负性小，则相应的C―M反键轨道σC―M*接受氧原子上孤对电子的能力减弱，超共轭效应减弱，导致异头碳效应减弱。
当取代基为过渡金属元素时(Ni，Pd，Pt，Cu，Ag，Au，Zn，Cd，Hg)，ΔE为正值，表明具有显著的金属异头碳效应。同一族的金属元素，随着电负性和原子半径的周期性变化，异头碳效应的程度随周期数增加而递增[13]。例如，第11族元素(Cu，Ag，Au)取代的四氢吡喃化合物普遍具有较好的金属异头碳效应(ΔE > 0)。
即使是同一种金属元素，不同的氧化态也会影响金属异头碳效应(图 3)。研究表明，高氧化态的金属取代基通常表现出更强的金属异头碳效应。例如，当金属取代基为一价的Cu(I)Py时，ΔE = 0.74 kcal∙mol−1；升高金属铜的氧化态为二价的Cu(II)ClPMe3时，ΔE = 5.90 kcal∙mol−1，金属异头碳效应明显增强。其他金属元素如Ag、Au也表现出了相似的规律。究其原因，当金属的氧化态升高时，它的电负性也随之提高，进而增强了C―M键的极化作用，降低了C―M反键轨道σC―M*的能量，有效地增强了其与氧原子孤对电子之间的超共轭作用。
图3
2.2 配体对金属异头碳效应的影响
通过配体可以有效调节金属络合物的电性和空间位阻，可以调节金属异头碳效应。与其他配体相比，具有强给电子能力的卡宾配体[14]会明显削弱金属异头碳效应。例如，当金属铜的配体为氮杂环卡宾(CuIm)时，ΔE = 0.03 kcal∙mol−1；而当吡啶作为配体时，Cu(0)Py的ΔE = 0.74 kcal∙mol−1。值得一提的是，虽然计算结果表明金属Ni(I)、Pd(I)取代基具有较强的金属异头碳效应(ΔE分别为2.67、2.77 kcal∙mol−1)，然而当其分别与单齿膦、胺配体配位时则无金属异头碳效应。这不仅是因为配体的强给电子效应，还与配体的空间位阻息息相关。空间位阻较大的配体抑制金属取代基处于直立键的倾向，因此削弱了金属异头碳效应。
2.3 底物对金属异头碳效应的影响
底物结构同样影响金属异头碳效应(图 4)。取代单糖的金属异头碳效应也受到分子C2位取代基的影响。例如，第10族元素(Ni，Pd，Pt)在一系列C2位取代的糖类化合物无异头碳效应，这可能与C2位取代基团和金属取代基的空间排斥相关。相反，第11族的元素(Cu，Ag，Au)却表现出了较强的异头碳效应，而第12族元素(Zn，Cd，Hg)在D-甘露糖(D-mannose)中无异头碳效应。这是由于甘露糖C2位的甲氧基和金属正电中心相互作用，使平伏键构象能量显著下降，显著削弱了金属异头碳效应。
图4
虽然上文讨论的糖类衍生物都是环状化合物，与之类似的邻位交叉效应同样存在于链状化合物(图 5)。例如，对于金属取代二甲醚，第10族(Ni，Pd，Pt)，第11族(Cu，Ag，Au)金属倾向于顺式构象。因为在这种构象时，氧上孤对电子可以和C―M反键轨道σC―M*达到最大的重叠。需要指出的是，线性分子中邻位交叉效应受金属配体位阻的影响较小。因此，对于环状底物中不具有异头碳效应的单齿膦、胺配体配位的Ni(II)、Pd(II)络合物，却在链状底物中表现出邻位交叉效应。
图5
另一个值得注意的地方是在链状体系中，邻位交叉效应受氮杂环卡宾给电子能力的削弱更为明显，氮杂环卡宾配位的金属取代基则倾向于对位构象(ΔE < 0)。
2.4 金属异头碳效应的应用
金属异头碳效应在指导发展高效、高选择性的糖类分子修饰方面有着十分广阔的应用前景。例如，Walczak课题组巧妙地设计了一类金属Ni/Ir协同催化体系，实现了糖分子异头碳的立体选择性芳基化修饰(图 6) [15]。首先，底物a和Ir催化剂在光照条件下产生异头碳自由基中间体b，b与Ni(II)中间体结合形成具有直立键构象的金属有机化合物中间体c，再经过立体专一性的还原消除反应得到最终产物d。反应的高立体选择性一方面来源于高氧化态的Ni和异头碳自由基中间体b结合是以立体构型保持的方式进行的。另一方面，后续生成的金属有机化合物中间体c也表现出较强的金属异头碳效应，这些机理过程均得到了相应的DFT计算的验证[16]。
图6
3 结语
作为立体电子效应的重要组成部分，金属异头碳效应为立体选择性糖基化和不对称催化反应的设计与优化提供了理论基础，同时也有利于加深化学相关专业同学对立体电子效应的理解。随着理论化学与计算化学的进一步发展，对金属异头碳效应的研究必将得到进一步的拓展，进而促进金属异头碳效应在相关领域的广泛应用。
参考文献
