例題及解析

例題1　麻黃素又稱麻黃堿，是我國特產(chǎn)的中藥材麻黃中所含的一種生物堿。天然麻黃素是一種左旋體，經(jīng)我國學(xué)者確定，其結(jié)構(gòu)如下：

麻黃素的合成路線為：

試問：（1）用Fischer投影式分別寫出化合物A、B、C、D的旋光異構(gòu)體。

（2）按此路線合成出的產(chǎn)物D是否具有旋光性？簡述理由。

（3）指出化合物D的各種旋光異構(gòu)體間的關(guān)系（對映體、非對映體）。

（4）寫出化合物C的各種旋光異構(gòu)體的最穩(wěn)定構(gòu)象（Newman式表示）。

解析：　先沿著化學(xué)反應(yīng)的程序?qū)懗雒坎椒磻?yīng)的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

原料無光學(xué)活性，以上幾步均無手性因素參與，因此最終產(chǎn)物D也不會有旋光活性。若用手性條件將產(chǎn)物B、C、D分別進(jìn)行拆分，即可分出有旋光活性的異構(gòu)體。

化合物B和C分別含一個手性碳原子，因此它們各有一對對映異構(gòu)體。化合物D含2個手性碳原子，因此它應(yīng)該有2對對映異構(gòu)體，即共有四個旋光異構(gòu)體：d₁、d₂、d₃、d₄。其中d₁與d₄、d₂與d₃互為對映異構(gòu)體；d₁與d₂、d₁與d₃、d₂與d₄、d₃與d₄互為非對映異構(gòu)關(guān)系。化合物C的穩(wěn)定構(gòu)象的Newman投影式為：

例題2　Aldol（羥醛）縮合反應(yīng)是有機(jī)合成中形成碳碳鍵的一類重要反應(yīng)。1957年，美國西北大學(xué)的Zimmerman和Traxler首先提出了著名的椅式構(gòu)象的六元環(huán)過渡態(tài)模型，即后人常稱的Zimmerman-Traxler模型。該模型首次從立體化學(xué)的角度對Aldol縮合反應(yīng)進(jìn)行了剖析，指出烯醇鹽構(gòu)型與產(chǎn)物立體化學(xué)之間的對應(yīng)關(guān)系，較好地解釋了產(chǎn)物的立體化學(xué)特征。隨后Dubois、Heathcock、Evans等先后對Aldol縮合反應(yīng)的立體化學(xué)進(jìn)行了更加深入細(xì)致的研究，進(jìn)一步完善了Aldol縮合反應(yīng)的立體化學(xué)控制技術(shù)，實現(xiàn)了高度非對映選擇性合成Aldol縮合產(chǎn)物。試基于Zimmerman-Traxler模型說明Aldol縮合反應(yīng)的立體化學(xué)控制方法。

解析：　Aldol（羥醛）縮合反應(yīng)中，碳碳形成中的立體化學(xué)與加成反應(yīng)中的椅式環(huán)己烷過渡態(tài)構(gòu)象有關(guān)。過渡態(tài)的構(gòu)象決定于負(fù)碳離子共振結(jié)構(gòu)中烯醇離子的Z、E式結(jié)構(gòu)與金屬離子配位的結(jié)果，以及反應(yīng)屬動力學(xué)控制還是熱力學(xué)控制。最后可得到蘇式或赤式占優(yōu)勢的產(chǎn)物。

Zimmerman-Traxler模型如圖2-1所示（能量相等的對映體的過渡態(tài)未在圖中顯示）。當(dāng)烯醇鹽與羰基進(jìn)行親核加成時，羰基從垂直角度接近烯醇鹽，與烯醇氧鍵合的金屬M(fèi)（M為堿帶入的金屬離子）與羰基氧配位，于是兩個化合物形成了椅式六元環(huán)結(jié)構(gòu)的過渡態(tài)。若將過渡態(tài)中的羰基碳標(biāo)記為1，烯醇鹽的兩個碳標(biāo)記為2和3，則烯醇鹽的氧在4位，M在5位，羰基氧在6位；圖2-1中2、3之間原為烯醇鹽碳碳雙鍵，1、6間原為碳氧雙鍵。在此過渡態(tài)中，有空阻作用的取代基應(yīng)盡可能采取平伏鍵狀態(tài)，這樣有利于碳碳鍵的生成。

在堿作用下形成的烯醇鹽有Z、E兩種不同構(gòu)型，Z型烯醇鹽上的R¹和R²同時處于六元環(huán)過渡態(tài)中的豎鍵，而E型烯醇鹽上的R¹和R²則是一個位于豎鍵、一個位于平伏鍵；對羰基而言，其R可以在豎鍵上或在平伏鍵上。在形成的4種環(huán)狀過渡態(tài)中［圖2-1（1）～（4）］，過渡態(tài)（2）和（4）由于R¹和R之間存在著較強(qiáng)的1，3-豎鍵相互作用，能量較高，不穩(wěn)定；相比較而言，過渡態(tài)（1）和（3）能量較低，容易形成，從而導(dǎo)致相應(yīng)立體構(gòu)型的產(chǎn)物占優(yōu)勢。即E型烯醇鹽傾向于生成反式產(chǎn)物，而Z型烯醇鹽傾向于生成順式產(chǎn)物，也就是說烯醇鹽的幾何構(gòu)型決定了Aldol縮合產(chǎn)物的立體選擇性。

例如：低溫時，2，2-二甲基-3-戊酮在動力學(xué)控制條件下主要形成Z型烯醇鹽。因此它與苯甲醛加成時得順式syn-加成產(chǎn)物。

羰基化合物中取代基越大，這種立體選擇性越強(qiáng)。

上述反應(yīng)如在室溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物則可由較大比例的syn-異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為anti-異構(gòu)體。因為E型烯醇離子加成時環(huán)狀過渡態(tài)甲基處于平伏鍵，穩(wěn)定增大，在熱力學(xué)控制條件下就轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的產(chǎn)物。

堿的體積也影響Z/E的比率。

為了改善Aldol縮合反應(yīng)的立體選擇性，可由兩個方面入手：加強(qiáng)碳負(fù)離子形成時的立體選擇性，改善加成反應(yīng)過程中的立體選擇性。選用硼化物代替其他金屬離子時，由于硼化合物的烯醇鹽（酯）中氧硼鍵結(jié)合比烯醇鋰鹽更具共價鍵特征，過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)比較緊密，這種立體效應(yīng)使得加成選擇性增加。在對許多乙基酮化合物的研究中，發(fā)現(xiàn)酮類化合物與二烴基硼的三氟甲磺酸酯在叔胺存在下主要形成Z型烯醇硼酸酯，它與醛進(jìn)一步加成，得syn-加成物。

當(dāng)α-重氮酮與三烴基硼烷反應(yīng)可得到E型烯醇硼酸酯，進(jìn)一步與醛加成主要得anti-加成物。同時，催化量弱堿如酚鹽可將上述E型烯醇硼酸酯轉(zhuǎn)化成Z型。

對于環(huán)己酮，其烯醇鹽由于成環(huán)的因素只可能為E構(gòu)型，所以當(dāng)其與苯甲醛發(fā)生Aldol縮合時，得到的主要產(chǎn)物為反式產(chǎn)物。

例題3　三元環(huán)承受很大的張力，因為60°偏離四面體的夾角甚遠(yuǎn)。環(huán)氧乙烷十分活潑，許多試劑可使它的環(huán)打開，這與其他的醚形成強(qiáng)烈的對照。這自然是由于開環(huán)可以消除張力。有一種環(huán)醚，叫做（R）-環(huán)氧丙烷，它的兩處可以受到攻擊，從而生成兩種同分異構(gòu)體，如下所示：

回答如下問題：

（1）給出與上述事實一致的詳盡的反應(yīng)機(jī)理。

（2）畫出（R）-1-乙氧基-2-丙醇的立體結(jié)構(gòu)式。

解析：　（1）環(huán)氧丙烷中兩個C—O鍵都有可能斷裂。在酸性介質(zhì)中，氧原子先得到質(zhì)子，再斷裂碳氧鍵，優(yōu)先生成較穩(wěn)定的碳正離子，然后接受乙醇分子的進(jìn)攻，這是S_N1機(jī)理。由于碳正離子是平面型的，乙醇分子可以從該平面的上方或下方攻擊，機(jī)會相等，所以得到的是外消旋體，即R-和S-型異構(gòu)體各半。

在堿性介質(zhì)中，乙醇分子首先丟掉質(zhì)子，成為乙氧基負(fù)離子，它再進(jìn)攻環(huán)氧丙烷的碳原子。進(jìn)攻環(huán)氧丙烷的哪一個碳原子呢？應(yīng)該進(jìn)攻位阻較小的碳原子，即CH₂的碳原子。進(jìn)攻時同時斷裂環(huán)氧上的C—O鍵，生成產(chǎn)物。此時，原來的手性碳原子（即次甲基CH上的碳原子）始終沒有受到進(jìn)攻，因此保持手性構(gòu)型不變，產(chǎn)物是唯一的，保型結(jié)構(gòu)。即若原料是R-型的，產(chǎn)物仍是R-型的。

（2）（R）-1-乙氧基-2-丙醇的立體結(jié)構(gòu)式可以用下面任何一種方式表達(dá)：

例題4　以下兩種生物堿可以在室溫下相互轉(zhuǎn)化，在達(dá)到平衡態(tài)時，兩者的比例為3∶2。畫出它們互相轉(zhuǎn)化時中間體A的立體結(jié)構(gòu)簡式。

解析：　兩種化學(xué)式相同的生物堿可以互相轉(zhuǎn)化。觀察兩個分子的結(jié)構(gòu)可知：右側(cè)的六元并環(huán)結(jié)構(gòu)沒有變化，而左側(cè)的五元環(huán)與六元環(huán)發(fā)生可逆轉(zhuǎn)化。該環(huán)系中沒有特殊的活潑碳碳鍵，在室溫下很難發(fā)生碳碳單鍵可逆斷裂的反應(yīng)，故碳原子的連接順序沒有變化，據(jù)此可將該分子左側(cè)環(huán)系如下圖編號進(jìn)行分析：

觀察編號可知：反應(yīng)中發(fā)生了C4—N和C5—Cl鍵的形成，同時該反應(yīng)具有立體選擇性。由于該分子自身即可發(fā)生互變，所以反應(yīng)是分子內(nèi)的。該分子含有一個三級胺結(jié)構(gòu)的氮原子，具有一定的親核性；氯原子可作為一個離去基團(tuán)。故該分子可發(fā)生分子內(nèi)S_N2反應(yīng)，結(jié)合對斷鍵和成鍵的分析容易看出，氮原子的孤對電子進(jìn)攻與Cl相連的C5，同時形成C5—N鍵：

然后，再考慮C4—N鍵的斷鍵和C4—Cl鍵的形成兩步反應(yīng)，這里S_N2反應(yīng)再次發(fā)生：Cl^-對C4親核進(jìn)攻，同時—R₃N⁺離去，三元環(huán)開環(huán)釋放張力：

最后可驗證該反應(yīng)的機(jī)理的確與立體選擇性相符。該反應(yīng)與α-鹵代胺的鄰基參與效應(yīng)類似，C—X鍵鄰位的氨基可以發(fā)生動力學(xué)上有優(yōu)勢的分子內(nèi)親核取代反應(yīng)，生成氮雜環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)的中間體A。A可發(fā)生Cl^-對C4和C5的競爭性進(jìn)攻，得到兩種生物堿的混合物。

例題5　什么是端基效應(yīng)？舉例說明端基效應(yīng)控制產(chǎn)物的立體化學(xué)。

解析：　基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)一般認(rèn)為取代環(huán)己烷的優(yōu)勢構(gòu)象是較大基團(tuán)在e鍵上，以盡量減小空間位阻的影響，但當(dāng)有電負(fù)性較大的元素存在時，情況有所不同。如反-1，2-二氯環(huán)己烷的穩(wěn)定構(gòu)象是aa鍵，而不是ee鍵。

特別是當(dāng)環(huán)上有O、N、S等雜原子時，如吡喃糖的C1上有取代基X（F，Cl，Br）、烷氧基、酰氧基等吸電子基團(tuán)時，它們傾向于處于a鍵上，從紐曼式中可以看出，取代基處于e鍵時，大基團(tuán)是對位交叉構(gòu)象，而處于a鍵時是鄰位交叉構(gòu)象，盡管存在空間的不利因素，還是直立鍵比平伏鍵占優(yōu)勢。1995年Edward首次在吡喃糖中發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)，由于涉及端基位（C1位），人們將這種效應(yīng)稱為端基效應(yīng)（anomeric effect）。

D-甘露糖是D-葡萄糖的C2差向異構(gòu)體，當(dāng)它形成吡喃環(huán)時，人們發(fā)現(xiàn)α-D-吡喃甘露糖比β-D-吡喃甘露糖穩(wěn)定，盡管α-D-吡喃甘露糖中有兩個羥基占據(jù)直立鍵，而β-D-吡喃甘露糖只有一個，但α-D-吡喃甘露糖還是占68%，為優(yōu)勢構(gòu)象（圖2-2）。這一現(xiàn)象稱為糖的端基效應(yīng)。

并非只有D-吡喃甘露糖具有端基效應(yīng)。當(dāng)人們用醇和質(zhì)子酸處理β-D-吡喃葡萄糖時，得到兩種吡喃葡萄糖苷，即α-D-甲基吡喃葡萄糖苷和β-D-甲基吡喃葡萄糖苷（圖2-3）。其中α-D-甲基吡喃葡萄糖苷占66%，而β-D-甲基吡喃葡萄糖苷占33%。用醇和質(zhì)子酸處理α-D-吡喃葡萄糖時得到相同結(jié)果。

端基效應(yīng)控制著產(chǎn)物的立體化學(xué)。例如：芳醛可與二烯發(fā)生氧雜Diels-Alder反應(yīng)，生成的環(huán)己烯基硅醚分別在堿性和酸性條件下失去三甲基硅基，得到兩種不同的端基異構(gòu)體產(chǎn)物。在堿性條件下，甲氧基親核進(jìn)攻硅，離去的烯醇負(fù)離子發(fā)生質(zhì)子交換生成產(chǎn)物，端基碳原子的手性保持不變。在酸性條件下，當(dāng)烯基硅醚醇解時，縮醛通過開鏈轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的有端基效應(yīng)的縮醛。