烯烴能進行親電加成的底層邏輯在于:烯烴分子中有不飽和的碳碳雙鍵(C=C),其中 π 鍵鍵能較低、電子云暴露,
烯烴參與的親電加成總體而言有七類:①烯烴與溴反應,②烯烴氧化成環氧,③烯烴與質子酸反應,④烯烴的羥汞化-還原反應,⑤烯烴的雙羥基化反應,⑥硼氫化氧化反應,⑦烯烴的臭氧化切斷反應;
且因為區域選擇性和立體選擇性的存在,不一樣的烯烴反應性不一樣,把這七類在一定層次上又有所擴展,以下做個論述,系統性學習一下
一、烯烴和溴的反應
烯烴會使棕色的溴的水溶液轉變為無色,這是烯烴的經典檢驗方法之一。
溴對烯烴的親電加成是一個氧化反應。以簡單的乙烯分子為例,反應過程中,烯烴充滿的 π 軌道 (HOMO) 會與溴空的 σ* 軌道反應,首先生成溴鎓離子和溴離子:
溴離子繼續進攻溴鎓離子完成雙鍵的親電加成。
總體上看:
當溴化反應在親核性的溶劑( 如水或甲醇)時,溶劑分子會與溴離子競爭對溴 钅 翁的開環。盡管水和醇是比溴差很多的親核試劑,但因為濃度高, 大多數時候都會搶在前面。
當是醇時,該過程既像SN2,又像SN1,嚴格上講是處于兩者之間的狀態;
當是水時,因為生成了比較穩定的溴代醇,在用堿處理后,是標準式的分子內SN2反應;
二、烯烴氧化成環氧
環氧乙烷可通過乙烯在高溫下用氧氣氧化并使用銀催化劑大規模生產,但該方法不適合實驗室常規使用。實驗室常用過氧羧酸作為環氧化試劑,這類化合物是過氧化氫的酯,比羧酸酸性弱。
過氧酸的一個氧原子是親電的,可被親核試劑攻擊,親核試劑取代羧酸形成新的化合物,同時釋放羧酸根;
烯烴和過氧酸的反應過程中,烯烴充滿的 π 軌道 (HOMO) 會與過氧酸中O–O 鍵的 σ* 軌道作用,生成環氧;
機理上涉及環氧化過渡態;
由于環氧中兩根新的 C–O 都在烯烴 π 鍵的同一面形成,因此烯烴的環氧化是是立體選擇性的。
烷基是給電子的,被烷基取代的烯烴通過電子效應提升了雙鍵的HOMO能量,電子更容易被親電試劑的LUMO接受,所以多取代的烯烴更加親核,直接導致多取代的烯烴環氧化進行的快;
三、烯烴質子化反應
烯烴和H-X類酸性物質反應是 區域選擇性的,經過質子化生成更穩定碳陽離子的過程,最終結果遵循馬氏規則,即:“氫最終連接在原來雙鍵有較多氫的一側的碳原子上 ” 。常見如:
和鹵化氫反應;
和硫化氫反應;
四、共軛雙烯的親電加成
共軛雙烯的π電子通過共軛效應離域到四個碳原子上,形成更大的π體系,導致其HOMO能量顯著升高,親核性比簡單的烯烴要強;
共軛雙烯的親電加成要注意的 主要有 兩個:
①和H-X類物質如HBr反應時質子化中間體的存在形式,即:優先生成多烷基取代的碳正離子;
②用X2鹵化烯烴有兩種產物,一種是熱力學控制的,一種是動力學控制的。
動力學取代的產物可以繼續轉化為熱力學產物,總體過程的機理大致如下:
五、雙羥基化反應
鄰二醇是一種非常重要的碳氫化物,制備方法是在雙鍵的兩側加入兩個羥基,這種反應有兩種模式,且兩種模式給出的產物是不同的對映體;
①水進攻環氧開環
環氧開環可以在酸或堿中完成。如果親核試劑是水,則產物為二醇。該反應一個 S N 2 反應,伴隨立體化學翻轉;如下是一個示例高氯酸中的開環示例,兩個羥基在六元環的不同側,產物是
anti二醇。
②OsO 4 對雙鍵實施
syn雙羥基化
和上述通過環氧生成鄰二醇的路徑不同, OsO 4可以直接和雙鍵發生反應,烯烴同四氧化鋨結合得到五元環狀鋨酸酯,鋨酸酯不穩定,水解即得到
s
yn二醇。
由于四氧化鋨(OsO 4 )非常昂貴,且存在劇毒和高揮發性。因此該反應通常在催化量的 Os(VIII) 以及當量的共氧劑(如NMO,雙氧水)下完成。
六、羥汞化-還原(單羥基化反應)
在《 》章節,我們知道烯烴可以通過酸催化下E1消除實現,而烯烴的單羥基化反應就是這種消除反應的的逆過程。
該過程包含兩個步驟:首先通過羥汞化在系統上加上OH和Hg,關鍵中間體不經分離,直接通過硼氫化鈉還原趕走汞金屬。
七、烯烴的硼氫化氧化反應(單羥基化反應)
和上述羥汞化-還原得到的烯烴單羥基化產物不同,硼氫化氧化的區域選擇性是反馬氏規則的,氫原子會加到含氫較少的雙鍵碳原子上。 反應的驅動力在于雙鍵作為富電子體和 硼烷空的 p 軌道作用;
該過程中一分子硼烷對應三分子烯烴,為了避免不可控的副反應,所以硼烷用量通常0.33eq。
八、烯烴的臭氧化切斷
工業上的烯烴裂解反應通常是復雜的,需要高溫,高壓,催化劑等等,這個我們沒有辦法去描述,此處僅介紹一下實驗室規模將烯烴雙鍵“砍斷”的過程,即烯烴的臭氧化切斷;
臭氧分子通常在臭氧發生器中制備,然后作為1,3-偶極合成子和烯烴加成,生成環狀臭氧化物,然后經過復雜的重排、環坍塌得到兩根強的 C = O 鍵,最終經PPh3或二甲硫醚之類的還原劑還原得到兩分子醛(酮)。
參考資料:
Jonathan Clayden etal. , 《Organic chemistry》
László Kürti and Barbara Czakó,《Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis》
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