非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应_周婵

第 23 卷 第 1 期 2011 年 1 月 化 学 进 展 PROGRESS IN CHEMISTRY Vol. 23 No. 1 Jan.，2011 收稿:2010 年 6 月，收修改稿:2010 年 9 月 * 国家自然科学基金项目(No. 20972013，20472005)资助 Corresponding author e-mail:jxxu@ mail. buct. edu. cn 非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应* 周 婵 许家喜 (北京化工大学理学院有机化学系 化工资源有效利用国家重点实验室 北京 100029) 摘 要 本文 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了常用亲核试剂对非对称环氧乙烷的亲核开环反应及其区域选择性。强亲核性的亲 核试剂通常只受空间效应影响，进攻非对称环氧乙烷位阻小的碳原子，对于烯基取代环氧乙烷还可以进攻烯 基的 β-碳原子发生 SN2′开环反应，其他亲核试剂同时受空间效应和电子效应的影响，对于烷基环氧乙烷通 常进攻其取代少的碳原子，空间效应起主导作用，而对芳基和烯基取代环氧乙烷开环反应通常发生在环氧 乙烷芳甲位和烯丙位的碳原子上，电子效应起主导作用。在质子酸或强 Lewis 酸存在下，虽然单烷基环氧乙 烷的开环仍然发生在其取代少的碳原子上，但对于芳基、烯基和同碳双取代环氧乙烷，亲核开环反应将主要 受电子效应控制，一般亲核试剂倾向于进攻环氧乙烷的芳甲位、烯丙位或多取代的碳原子。分子内的亲核开 环反应主要受成环时环大小的控制，成环时的倾向是五元环 > 六元环 > 七元环。环氧乙烷亲核开环的区 域选择性是环氧乙烷和亲核试剂空间效应和电子效应平衡的结果。 关键词 环氧乙烷 亲核试剂 亲核开环 区域选择性 中图分类号:O623. 42 + 5;O621. 25 文献标识码:A 文章编号:1005-281X(2011)01-0165-16 Regioselective Nucleophilic Ring Opening Reactions of Unsymmetric Oxiranes Zhou Chan Xu Jiaxi (State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering，Department of Organic Chemistry， Faculty of Science，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China) Abstract Nucleophilic ring opening reactions of unsymmetric oxiranes and their regioselectivity with widely used nucleophiles are reviewed. Strong nucleophiles attack the less substituted carbon atom of unsymmetric oxiranes，whatever alkyl，alkenyl，and aryloxiranes，controlled by the steric hindrance only. They can undergo an SN2′ ring-opening reaction with alkenyloxiranes via the attack on the β-carbon atom of their alkenyl group. Other nucleophiles generally attack the less substituted carbon atom for alkyloxiranes，controlled by the steric hindrance， but attack the arylmethyl and allyl carbon atom for aryl and alkenyloxiranes，controlled by the electronic effect. In the presence of proton acids or strong Lewis acids，although monoalkyloxiranes are attacked on their less substituted carbon atom with nucleophiles (steric hindrance control)，aryl，alkenyl，and geminal dialkyloxiranes are attacked on their more substituted carbon atom with weak nucleophiles (electronic effect control). The regioselectivity of intramolecular nucleophilic ring opening reaction of oxiranes is controlled by the ring size of products. The favorable order is five-membered ring > six-membered ring > seven-membered ring. Thus，the regioselectivity is controlled by a balance between the steric hindrance and electronic effect of oxiranes and nucleophiles. Key words oxirane;nucleophile;nucleophilic ring opening reaction;regioselectivity ·166· 化 学 进 展 第 23 卷 Contents 1 Ring opening of epoxides by carbon nucleophiles 1. 1 Ring opening of epoxides by organometallic reagents 1. 2 Ring opening by enolates 1. 3 Ring opening by cyanide 1. 4 Ring opening by arene nucleophiles 1. 5 Ring opening by aromatic nitrogen-containing heterocycles 2 Ring opening of epoxides by nucleophiles in the nitrogen group 2. 1 Ring opening by nitrogen-containing nucleophiles 2. 2 Ring opening by azide anion 2. 3 Ring opening by phosphines 3 Ring opening of epoxides by nucleophiles in the oxygen group 3. 1 Ring opening by oxygen nucleophiles 3. 2 Ring opening by sulfur nucleophiles 3. 3 Ring opening by selenium nucleophiles 4 Ring opening of epoxides by halogen nucleophiles 5 Conclusion and Outlook 环氧乙烷类化合物是一类重要的有机合成中间 体［1］。环氧乙烷化合物的三元环结构中各个原子的 轨道不能正面充分重叠，而是以弯曲键相互连接，因 此其存在较大的环张力并且键较弱，极易与多种亲核 试剂发生开环反应，生成邻位双官能团化合物。迄今 为止，已有碳负离子、胺类、醇、硫醇化合物、卤素离子 等各种亲核试剂对环氧乙烷类化合物进行开环反应 研究的报道［2］。而 2，3 位具有不同取代基的环氧乙 烷(即非对称环氧乙烷)在开环反应中会因亲核反应 位点不同而区域选择性地产生不同的异构体产物。 本文将按亲核试剂分类系统总结非对称环氧乙烷与 各种亲核试剂的开环反应及其区域选择性。 1 碳亲核试剂开环 1. 1 金属有机试剂开环 有机锂和有机铜锂可以使环氧乙烷开环。不论 烷基还是芳基环氧乙烷，有机锂 RLi［3—5］和有机铜 锂 R2CuLi ［6—8］作为亲核试剂都区域选择性地进攻 环氧乙烷中取代少的碳原子，空间位阻起主要作用 (Scheme 1)。对于芳基环氧乙烷，由于烷基锂试剂 的亲核性很强，仍从环氧乙烷空间位阻小的，即取代 少的碳原子进攻。三甲基硅基烯丙基锂及其氰化铜 锂的复合物都能以很好的区域选择性从环氧乙烷空 间位阻小的碳原子进攻得到产物。 Scheme 1 二烷基铜锂和与环己烷并合的环氧乙烷发生开 环反应时，选择性地进攻直立键的位置，符合构象最 小改变原理［9］(Scheme 2)。 Scheme 2 二噻烷类化合物在丁基锂作用下形成的二噻烷 基锂也是很好的碳亲核试剂，进攻非对称烷基和芳 基环氧乙烷空间位阻小的一侧，得到相应的开环产 物(Scheme 3)［10—13］。2-三烷基硅取代 1，3-二噻烷 11 得到开环产物 12 后，在碱作用下三烷基硅从碳 原子上迁移到氧原子上，经历 Brook 重排得到中间 体 13，13 可以进一步与一分子环氧乙烷反应，最终 得到对两分子环氧乙烷开环的产物 14。 Scheme 3 第 1 期 周 婵等 非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应 ·167· 二噻烷基锂作为亲核试剂进攻含有烯基取代的 环氧乙烷化合物时，通过改变二噻烷上 2 位基团 R 的体积大小，可以很好的选择性得到 SN2 和 SN2′反 应产物［14—24］。当 R 为位阻较小的氢、苯基、三甲基 硅基时，反应全部得到 SN2 产物 16，而当 R 为位阻 较大的乙基、异丙基、三异丙基硅基时，则全部得到 SN2′反应产物 17(Scheme 4)，区域选择性很好。 Scheme 4 Scheme 5 二烃基铜锂对含有烯基取代环氧乙烷(如化合 物 18、22、25)的亲核开环反应，既可以发生 SN2 开 环，也可以发生 SN2′开环，SN2 和 SN2′的选择性与 亲核试剂的种类及其体积密切相关，有利于在位阻 小的位置开环，位阻差不多时，主要发生 SN2′开 环［25—30］。对于链状烯基化合物 18，当亲核试剂为 体积较小的甲基铜锂或者苯基铜锂时，以经过 SN2′ 反应得到的 E 型产物 19 为主(Scheme 5)。七元环 状环氧乙烷 22 也是如此，当亲核试剂为体积小的甲 基铜锂试剂时，以 SN2′产物为主。当亲核试剂为体 积较大的丁基铜锂时，只发生 SN2′反应。含有烯基 的螺环环氧乙烷 25 和 28，当亲核试剂的体积较大 时只发生 SN2′反应，得到开环产物，且亲核试剂倾 向于从位阻更小的一侧进攻双键的 β-碳原子，得到 立体选择性的产物。对于双键 β-碳原子连有位阻 较大基团的底物 31，亲核试剂是体积较小的甲基铜 锂试剂时，则同时发生 SN2 和 SN2′反应。 对于烯基上连有吸电子基团的环氧乙烷 35，当 用氰化铜锂的复合物或者烷基铜锂试剂做亲核试剂 时，同时发生 SN2 和 SN2′反应，反应产率适中，但区 域选择性不是很好(Scheme 6)［29］。 Scheme 6 炔基负离子可作为碳亲核试剂使环氧乙烷开 环［31—33］。二乙基炔基铝在三甲基铝存在下能对带 有苄氧甲基的环氧乙烷 38 区域选择性开环。炔基 锂也能对环氧乙烷 38 进行区域选择性地开环得到 主要产物 40。因为环氧乙烷环中环氧与苄氧甲基 中的氧原子能与金属铝或者锂形成一个五元环过渡 态，使亲核试剂空间上与环氧另一侧碳原子较近，有 利于对其进攻得到开环产物(Scheme 7)。 Scheme 7 格氏试剂也是一种常用的环氧乙烷碳亲核开环 试剂。对于单取代环氧乙烷，不论是单烷基还是单 ·168· 化 学 进 展 第 23 卷 芳基环氧乙烷，格氏试剂都倾向于从位阻小的一侧 进攻开环得到二级醇(Scheme 8)［34］。但是对于同 碳二取代的环氧乙烷，在格氏试剂的作用下其首先 重排为醛，然后醛再与格氏试剂发生亲核加成反应 得到二级醇。芳基和酰基异碳二取代的环氧乙烷 41 与格氏试剂反应，格氏试剂首先对酰基的羰基进 行加成，然后重排得到烯醇溴化镁和酮，酮再与格氏 试剂反应得到加成产物。3，3-二苯基环氧乙烷-2-甲 酸乙酯 42 与甲基格氏试剂反应，似乎是得到了正常 的甲基格氏试剂进攻芳甲位碳原子的开环产物 43， 其实这个反应并不是典型的 SN2 亲核开环反应，而 是通过 1，4-加成反应得到的开环产物(Scheme 9)。 Scheme 8 Scheme 9 在三苯氧基氯化钛存在下，烯丙基格氏试剂与 环氧乙烷进行开环反应时进攻其取代多的碳原 子［35—37］(Scheme 10)。由于钛与环氧乙烷中的氧原 子配位，弱化了多取代的碳原子与氧原子间的 C—O 键，反应是经历碳正离子按照 SN1 机理进行的。取 代多的碳原子上形成的碳正离子更稳定，所以烯丙 基接在环氧乙烷取代多的一侧，电子效应起主要作 用。对于苄氧甲基取代环氧乙烷 47、49 和 53，环氧 乙烷和苄氧甲基的氧原子都与钛原子配位，形成一 个五元环过渡态 50，更有利于形成稳定的碳正离子 中间体，有利于烯丙基进攻取代多的环氧乙烷碳原 子。可见，有可与环氧乙烷氧原子配位的 Lewis 酸 存在时，亲核开环时，亲核试剂进攻环氧乙烷多取代 的碳原子，电子效应起主要作用。 Scheme 10 对于含有烯基取代的环氧乙烷，以格氏试剂作 为亲核试剂时，会以 SN2′机理对环氧乙烷进行开 环［24，38］。在路易斯酸的催化作用下，格氏试剂 55 和 59 分别对烯基取代的环氧乙烷 56 和 58 以 SN2′ 机理进行开环反应，得到产率适中的产物 57 和 60 (Scheme 11)。 Scheme 11 炔丙基取代的环氧乙烷也能被格氏试剂亲核开 环［39］。三氟化硼乙醚复合物能促进此类反应，亲核 试剂从炔丙位进攻，生成的产物具有很高的立体选 择性(Scheme 12)。有可与环氧乙烷氧原子配位的 Lewis 酸存在时，亲核开环时亲核试剂进攻环氧乙烷 中碳正离子比较稳定的碳原子，电子效应起主要 作用。 第 1 期 周 婵等 非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应 ·169· Scheme 12 1. 2 烯醇负离子亲核开环 含有 α-氢的羰基化合物在强碱作用下形成的 烯醇负离子也可以对环氧乙烷进行开环反应［40］。 酰胺和磺酰类化合物在强碱 LDA 作用下形成 的烯醇负离子，可以对环氧乙烷进 行 开 环 反 应［41，42］。甲磺酰胺 67 用过量的 LDA 处理得到双阴 离子中间体 68，其可以共振为烯醇式结构 69，碱性 较强的 α-位碳负离子进攻环氧乙烷取代少的碳原 子得到相应的开环产物 70。不论烷基还是芳基环 氧乙烷，烯醇负离子在进行亲核开环时都是从环氧 乙烷空间位阻小的一侧进攻(Scheme 13)。 Scheme 13 α，α-二氟甲基膦酸二乙酯［43］、α-氟甲基苯基 砜［44］以及丙二酸二乙酯［4］在强碱 LDA 或正丁基锂 的作用下也可以形成碳负离子对环氧乙烷进行开环 反应。碳负离子从空间位阻小的一侧进攻环氧乙 烷，得到相应的醇，空间效应起主要的作用。 α-位上有活泼氢的 β-羰基酯 74 在手性配体的 作用下，也可以对环氧乙烷进行开环 (Scheme 14)［45］。对于 2，2-二取代的环氧乙烷 73，在二氟三 苯基硅酸四正丁基铵盐和手性配体 75 的作用下，进 攻多取代的碳原子以较好的对映选择性和区域选择 性得到产物 76。而在非手性配体催化作用下，主要 得到 SN2′反应产物 ［46］，手性配体 75 在此反应中能 很好地控制区域和对映选择性，反应按照 SN2 机理 进行。由于手性配体提供了更大的位阻，二氟三苯 基硅酸四正丁基铵盐的加入，加速了钯与烯基形成 的 π 络合物转化为 SN2 产物。碳负离子从取代多 的一侧进攻，环氧乙烷的电子效应和手性配体产生 的空间位阻共同作用使得产物具有很好的区域选择 性和对映选择性。 Scheme 14 1. 3 氢氰酸根负离子亲核开环 氢氰酸根负离子也可以作为一种碳亲核试剂对 环氧乙烷亲核开环。氰化三甲基硅(TMSCN)能从 位阻小的一侧进攻单 取代环氧乙 烷，使 其 开 环［47，48］。氰化钠也能使单取代的苯氧甲基环氧乙 烷、芳基环氧乙烷、其他烷基环氧乙烷化合物开环， 仍从位阻小的一侧进攻，得到的 β-羟基腈产率要比 氰化三甲基硅开环的高(Scheme 15)［49］。 Scheme 15 1. 4 芳香烃亲核试剂开环 芳香烃作为一种亲核试剂也可以使环氧乙烷开 环，以较高的收率和区域选择性得到 β 芳基醇类化 合物。烷基环氧乙烷在 Lewis 酸氯化铝的催化下与 芳烃发生开环反应全部得到从空间位阻小的一侧进 攻开环的产物 80(Scheme 16)［4］。Pineschi 等［50］报 道芳基环氧乙烷类化合物可以与硼酸芳香酯发生开 ·170· 化 学 进 展 第 23 卷 环反应，亲核试剂进攻环氧乙烷的芳甲位碳原子。 这个反应使得亲核性较弱的酚类物质在中性条件下 就可以与环氧乙烷发生反应得到含芳氧基或者邻羟 基芳基的醇 82 和 83。硼酸芳香酯中芳基取代基的 电子效应和空间效应对反应产物 82 和 83 的比例有 明显影响。当 R1 为邻位甲基时，主要得到芳氧基产 物 82，邻位上取代基位阻增大时，有利于得到邻羟 基芳基产物 83，随着邻位上基团的位阻逐渐增大， 82 与 83 的比例由 80∶ 20 变为 30∶ 70。当 R1 为对甲 基或者甲氧基时，产物 82 仍为主要产物，当 R1 为间 甲氧基或者 3，5-二甲基或者二甲氧基时，主要产物 是邻羟基芳基化产物 83，83 与 82 的比例大于 90 ∶ 10。他们认为这个反应过程经历了中间体 A，当芳 氧基中的氧进攻环氧乙烷的芳甲位碳原子时(即途 径 a)，得到芳氧基化产物;当芳氧基上的邻位碳原 子进攻环氧乙烷的芳甲位碳原子时(即途径 b)，得 到邻羟基芳基化的产物。 Scheme 16 1. 5 含氮芳杂环亲核试剂开环 富电子的含氮芳杂环吲哚和吡咯衍生物也可作 为亲核试剂使环氧乙烷开环，可以看成是烯胺类亲 核 试 剂。 开 环 反 应 可 以 在 Lewis 酸 InBr3、 Ln(OTf)3、RuCl3·nH2O ［51—53］、SbCl3 /K-10 ［54］、HBF4- SiO［55］2 等催化或者高压条件下 ［56］完成。对于苯氧 甲基等烷基环氧乙烷(如化合物 84)，吲哚进攻环氧 乙烷取代少的碳原子，空间位阻起主要作用，且产率 不高。吲哚与芳基环氧乙烷反应时，进攻芳甲位的 碳原子生成产物 87。当吲哚环上 R3 取代基为强吸 电子基团硝基或者氰基时，反应产率较低，只有 40%左右。 Scheme 17 2 氮族亲核试剂开环 2. 1 氮亲核试剂开环 2. 1. 1 胺类亲核试剂开环 氨水对环氧乙烷开环主要是进攻其位阻小的一 侧得到氨基二级醇［57］。在 Lewis 酸或者氨基磺酸 催化作用下［58］，不论是芳香胺还是脂肪胺对烷基环 氧乙烷进行亲核开环时，都是主要进攻取代少的碳 原子，空间效应起主要作用。芳香胺在溴化锂［59］、 分子筛［60］或者三维多孔铝硅酸盐的作用下［61］，对 芳基环氧乙烷进行亲核开环时，进攻芳甲位碳原子， 电子效应起主要作用;而当亲核性较强的脂肪二级 胺对其进行亲核开环时，进攻环氧乙烷位阻小的碳 原子的比例增加，空间位阻也开始起作用。但是当 使用三维多孔铝硅酸盐 Al(DS)3 做催化剂时，二级 胺对苯基环氧乙烷亲核开环也是选择进攻芳甲位碳 原子，并得到高达 80% 的产率，这和使用的催化剂 可与环氧乙烷配位有关。对于芳香基取代的环氧乙 烷 93［62］，二级脂肪胺在乙醇中回流对其亲核开环 主要得到从空间位阻小一侧进攻的产物 94;但是在 常温条件下以四氢呋喃为溶剂，用其锂盐作亲核试 剂时，却进攻芳甲位碳原子，以较高的产率得到唯一 产物 95。对于 Scheme 19 中的两个反应来说［63］，两 种二级胺的锂盐不论与烷基还是芳基环氧乙烷发生 反应时，都从取代少的一侧进攻，分别得到产物 98 第 1 期 周 婵等 非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应 ·171· 和 99。对于 Scheme 18 和 19 中两种芳基环氧乙烷 开环反应产生不同区域选择性的可能原因是由于底 物 93 中存在酰胺羰基，亲核试剂进攻反应底物时， 可能是先与该羰基有配位作用，然后再进攻环氧，空 间上比较有利。 Scheme 18 上述胺作为亲核试剂的环氧乙烷开环反应都是 分子间反应。胺作为亲核试剂也可以发生分子内的 开环反应。化合物 100 分子内 Boc 保护的氨基作为 Scheme 19 亲核试剂以 SN2 机理进攻分子内的环氧乙烷得到五 元环产物 101［64］。该反应在三氟乙酸的催化作用 下区域选择性地进攻环氧乙烷取代多的碳原子形成 五元环，而不是进攻取代少的碳原子得到六元环产 物，这是因为分子内环化反应中形成五元环要比六 元环容易，并且酸性条件下有利于进攻环氧乙烷多 取代的碳原子。化合物 102 的胺在叔丁醇和氟化铯 的共同作用下以 SN2 机理进攻分子内的环氧乙烷得 到六元环产物 103［65］。该分子内的亲核试剂区域 选择性地进攻环氧乙烷得到六元环产物 103，而不 是进攻环氧乙烷的另一个碳原子得到七元环产物， 因为分子内环化反应形成六元环要比形成七元环容 易得多。具有富电子烯基的反式环氧乙烷 104a(R1 = R2 = Br)在酸催化下［66］，苄氧羰基保护的氨基可 以亲核进攻该环氧乙烷的烯丙位碳原子得到 6-endo 型的六元环产物 105，而具有缺电子烯基的反式环 氧乙烷化合物 104b(R1 = CO2Et，R 2 = H)在进行分 子内环氧乙烷亲核开环反应时，没有区域选择性地 得到等量的开环产物 5-exo 产物 106 与 6-endo 产物 107(Scheme 20)。 Scheme 20 ·172· 化 学 进 展 第 23 卷 2. 1. 2 酰胺类亲核试剂开环 磺酰胺也可以作为亲核试剂对环氧乙烷进行开 环反应［67］，N-芳基甲磺酰胺 108 在微波作用和碳 酸钾催化下，对环氧乙烷进行亲核开环反应，主要进 攻环氧乙烷位阻小的碳原子，但伴随有少量进攻芳 甲基碳原子的产物 110，空间位阻在反应中起主要 作用(Scheme 21)。 Scheme 21 2. 1. 3 含氮芳杂环化合物亲核试剂开环 Scheme 22 含氮芳杂环咪唑、吡唑、吡啶等的氮原子可以作 为环氧乙烷开环的含氮亲核试剂。咪唑［68］和苯并 咪唑［69］得到的都是从环氧乙烷位阻小的一侧进攻 的产物。吡唑［70］也类似，主要进攻环氧乙烷取代少 的碳原子得到产物 112，但也有少量的进攻芳甲位 碳原子的产物 113。芳基取代的吡啶 115［71］作为亲 核试剂从空间位阻小的一侧进攻环氧乙烷，得到吡 啶盐化合物 116，吡啶盐再缩环得到醛 117，这个醛 被称为 Zincke 醛。 2. 2 叠氮负离子亲核开环 叠氮负离子作为另一种含氮亲核试剂也可以使 环氧乙烷开环。正丁基和苯基环氧乙烷在不同催化 剂作用下，与三甲基硅基叠氮进行开环反应可以得 到不同区域选择性的产物(Scheme 23)［72］。当三甲 基硅基叠氮亲核进攻正丁基环氧乙烷时，主要进攻 取代多的碳原子得到主产物 119。产物的区域选择 性和产率与催化剂的关系很大，Cr(NBu t)Cl3(dme) 的催化效果不如 W(NBu t)2(NHBu t)2 好。三甲基 硅基叠氮与苯基环氧乙烷在 Cr(NBu t)Cl3(dme)催 化下反应的区域选择性不好，从位阻小的一侧进攻 得到的产物 118 与从苯甲位进攻得到的产物 119 比 例为 1∶ 2左右，当使用 Cr(NBu t)2 Cl2 或者W(NBu t)2 (NHBu t)2 做催化剂时，产物的区域选择性很好，得 到的全部是进攻芳甲位碳原子的产物。 Scheme 23 Scheme 24 叠氮负离子作为亲核试剂在 AMP(十二磷钼酸 铵)［73］或者高氯酸镁［74］的催化作用下，也能对非对 称环氧乙烷进行区域选择性开环，且产率很高。当 叠氮负离子亲核进攻烷基环氧乙烷时，主要进攻取 代少的碳原子，空间效应起主要作用;而在此条件 下，叠氮负离子亲核进攻芳基环氧乙烷时，主要进攻 芳甲位碳原子，电子效应起主要的作用。 茂铁基和苯基取代的环氧乙烷 120 与亲核试剂 叠氮化钠的反应，亲核试剂主要进攻茂铁基团取代 的碳原子，得到开环产物 121，说明茂铁稳定碳正离 子的能力比苯基强(Scheme 24)［75］。 第 1 期 周 婵等 非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应 ·173· 2. 3 膦亲核试剂开环 一烷基或者二烷基膦也能作为亲核试剂使环氧 乙烷开环。在氢氧化铯和分子筛的作用下，一烷基 或者二烷基膦对非对称环氧乙烷进行选择性开环， 进攻取代少的碳原子得到产物(Scheme 25)［76］。该 反应不需要 Lewis 酸催化可能是由于膦负离子与铯 阳离子配位作用很弱，磷原子显示出很强的亲核性。 Scheme 25 二苯基膦负离子也可以作为环氧乙烷开环的亲 核试剂。环氧乙烷化合物 122 与二苯基膦锂反应， 二苯基膦负离子亲核进攻取代少的碳原子得到开环 产物，再经叔丁基过氧化氢氧化得到产物 123 (Scheme 26)［77］。 Scheme 26 亚磷酸酯和 H-膦酸酯在三氟甲磺酸铝催化作 用下，也能作为环氧乙烷开环的亲核试剂。环氧乙 烷化合物 124 与亚磷酸酯反应，生成化合物 125，亲 核试剂主要从环氧乙烷空间位阻小的一侧进攻得到 产物，产率达到 90%以上(Scheme 27)［78］。 Scheme 27 3 氧族亲核试剂开环 3. 1 氧亲核试剂开环 水、醇、酚、酸和酸酐都可以在催化剂的作用下 作为氧族亲核试剂使环氧乙烷开环生成相应的开环 产物。 水在十钨铈盐离子和缺电子锡络合物作用下能 对环氧乙烷 126 和 128 亲核进攻开环分别得到产物 127 和 129(Scheme 28)［79，80］。 羧酸与烷基环氧乙烷反应时，一般从环氧乙烷 位阻小的一侧进攻，空间位阻起主要的作用。羧酸、 磷酸、硝酸根等进攻环氧乙烷开环后得到羟基酯类 Scheme 28 化合物(Scheme 29)。乙酸作为亲核试剂对 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 氯 醇［81］进行亲核开环选择性地得到两种产物 130 和 131。在不同乙酸盐(如锂盐、钠盐、钾盐、三价铬 盐)的作用下，得到的开环产物 130 与 131 的比例稍 有变化，但总是以得到亲核进攻取代少的碳原子的 产物 130 为主。羧酸与芳基环氧乙烷反应时，主要 进攻芳甲位碳原子，得到产物 132，这是因为在酸性 条件下，在开环的过渡态中芳甲位碳正离子更稳 定［80］。H-膦酸二苄酯在 CuI 和分子筛的共同作用 下也能对环氧乙烷进行亲核开环反应［82］。对于环 氧乙烷 133，H-膦酸二苄酯中的氧原子区域选择性 地从取代少的一侧进攻环氧乙烷得到产物磷酸酯 134。硝酸根也能对环氧乙烷进行亲核开环。硝酸 氧锆的水合物对环氧乙烷化合物 135 进行亲核开环 反应，硝酸根中的氧原子亲核进攻环氧乙烷取代少 的碳原子得到相应的 β-羟基硝酸酯化合物 136［83］。 Scheme 29 酸酐也可以作为氧亲核试剂对环氧乙烷开环。 乙酸酐在 AMP 的催化下可以对环氧乙烷 137 进行 亲核开环得到相应二醇的二乙酸酯 138(Scheme 30)［84］。含有酰氧甲基取代的环氧乙烷 139，在乙 酸的催化下，能被三氟乙酸酐亲核开环形成甘油酯 化合物 140［85］。反应过程是环氧首先与强亲电试 剂三氟乙酸酐结合，然后环氧被分子内羰基上的氧 进攻得到 1，3-二烷环碳正离子 A(Scheme 30)，三 ·174· 化 学 进 展 第 23 卷 氟乙酸根再进攻该环碳正离子上空间位阻小的碳原 子得到开环产物。反应中分子内羰基氧进攻环氧这 一步是决速步，如果没有邻位上羰基的辅助进攻，环 氧乙烷不能得到开环产物。乙酸酐在三丁基膦催化 下［86］，也能对环氧乙烷进行亲核开环反应。 Scheme 30 在质子酸或者 Lewis 酸的催化下，醇作为氧亲 核试剂使环氧乙烷类化合物开环生成邻羟基醚 (Scheme 31)。醇在 Lewis 酸四氟硼酸铜催化下能 对环氧乙烷类化合物亲核开环［87］。烷基环氧乙烷 141 在此条件下能被甲醇开环生成化合物 142 和 143，但反应的区域选择性不明显。对于芳基环氧乙 烷，在四氟硼酸铜催化下，叔丁醇亲核进攻芳甲位碳 原子得到产物 144，这是因为四氟硼酸铜与环氧中 的氧原子配位得到环氧正离子，在开环反应过渡态 中进攻芳甲位碳原子形成的过渡态比较稳定。但是 甲醇在此条件下进攻化合物 145，选择进攻取代多 的碳原子，仅得到化合物 146。在三氟化硼乙醚复 合物催化下［88］，醇能够亲核开环环氧化合物 147， 得到中等产率的从空间位阻小一侧进攻的产物 148。在过渡金属铑催化下［89］，醇也可以对环氧化 物区域选择性地开环。对于链状烯基取代的环氧化 物 149，醇选择性亲核进攻环氧乙烷的烯丙位碳原 子，这是由于烯基和芳基一样可以通过 p-π 共轭作 用稳定其邻位的碳正离子，使得醇在反应过程中进 攻烯丙位碳原子时的过渡态能量低，有利于反应的 进行。这里的区域选择性不同于有机金属试剂开环 时的区域选择性，有机金属试剂主要以 SN2′机理开 环，主要是进攻烯基的 β-位碳原子，而醇主要是进 攻环氧乙烷的烯丙位碳原子，这是因为醇的亲核性 远小于有机金属试剂。对于烯基取代的环氧乙烷类 化合物的亲核开环，区域选择性主要依赖于亲核试 剂的亲核性。 Scheme 31 醇作为亲核试剂也可以发生分子内的环氧乙烷 开环反应［90，91］。环氧化合物 151 在三氟化硼乙醚 复合物催化下，发生分子内的醇亲核开环反应，得到 五元环和四元环产物 152 和 153，区域选择性和 R1 取代基的种类和空间 构型有关，但 差 别 不 大 (Scheme 32)。 Scheme 32 醇钠和酚钠也可以作为氧族亲核试剂使环氧乙 烷发生开环反应［92］。以聚乙二醇为反应介质，酚钠 第 1 期 周 婵等 非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应 ·175· 能区域选择性地进攻非对称环氧乙烷得到相应的开 环产物。酚钠区域选择性地进攻烷基环氧乙烷取代 少的碳原子，得到相应的开环产物;选择性地进攻芳 基环氧乙烷的芳甲位碳原子，得到 开 环 产 物 (Scheme 33)。 Scheme 33 苯酚在质子酸和钴的配合物 154 催化作用下， 能对环氧化物 155 进行亲核开环，主要得到从位阻 小一侧进攻的产物 156，且产物具有很好的立体选 择性(Scheme 34)［93］。Scheme 16 中的硼酸三苯酯 经历途径 a 发生反应时，也属于苯氧基中的氧亲核 进攻环氧化物发生开环反应。 Scheme 34 4-羟基-2，1，3-噻二唑衍生物 157 作为氧亲核试 剂在钴与 Salen 配合物的催化下，对表氯醇亲核开 环主要得到进攻取代少的碳原子的产物 158 (Scheme 35)［94］。 Scheme 35 与环氧处于合适位置上的羰基氧也可以作为环 氧乙烷类化合物的分子内开环亲核试剂，发生分子 内的亲核开环反应［95］。具有叔丁氧羰基氨甲基取 代基的环氧乙烷 159，在 Lewis 酸或者碱的作用下， 其环氧能被分子内 γ-位羰基氧亲核进攻得到开环 产物 160。在此反应中 γ-位羰基氧进攻环氧一端碳 原子，形成一个唑五元环中间体，进一步反应生成 相应的唑烷酮产物(Scheme 36)。 Scheme 36 3. 2 硫亲核试剂开环 在 Lewis 酸氟化铯和分子筛的活化下［96］，硫 醇或硫酚作为亲核试剂对单取代环氧乙烷亲核进 攻区域选择性地发生在环氧乙烷取代少的碳原子 上(Scheme 37)。芳基环氧乙烷中芳基的存在并 没有改变反应的区域选择性。这种区域选择性是 由于含硫原子亲核试剂的亲核性很强，底物电子 效应的影响相对较小，空间效应由此成为主要影 响因素所致。 Scheme 37 但是在高氯酸锂水合物的催化下［97］，硫醇或者 苯硫酚作为亲核试剂对苯基环氧乙烷进行开环时， 主要得到进攻芳甲位碳原子的产物 161，但是也有 进攻环氧乙烷取代少的碳原子得到的产物 162，可 见，硫醇和苯硫酚对环氧乙烷开环的区域选择性和 所选催化试剂有很大关系。 ·176· 化 学 进 展 第 23 卷 亚硫酸根负离子［98，99］和硫氰酸根负离子［100，101］ 是另一种氧族含硫亲核试剂。亚硫酸钠在水溶液中 能亲核进攻环氧乙烷类化合物使其开环。对于烷基 环氧乙烷，全部得到进攻环氧乙烷取代少碳原子的 产物，空间效应比电子效应作用更显著。对于芳基 环氧乙烷，主要得到进攻环氧乙烷取代少碳原子的 产物 164，也有少量进攻芳甲位碳原子的产物 165。 得到亲核进攻芳甲位碳原子产物的原因可能是水与 环氧中电负性较大的氧原子有形成氢键的趋势，增 加了芳甲位碳原子的正电性，得到少量进攻芳甲位 碳原子的产物。亚磺酸盐在水溶液中同样也能亲核 进攻环氧乙烷类化合物使其开环，得到进攻环氧乙 烷取代少碳原子的产物。硫氰酸根负离子在聚乙二 醇硫酸单酯催化下，在水溶液中也能对环氧乙烷类 化合物亲核开环。开环的区域选择性和亚硫酸根相 似，对于烷基环氧乙烷，全部从取代少的碳原子进攻 得到相应的 β-羟基硫氰酸酯，对于芳基环氧乙烷， 主要产物是通过进攻空间位阻小一侧的碳原子得到 的，但也有少量进攻芳甲位碳原子的产物 (如 Scheme 38)。 Scheme 38 二硫代磷酸是另一种含硫亲核试剂［102，103］。二 硫代磷酸在 Salen-Ti 试剂的催化作用下，能对环氧 乙烷进行亲核开环反应。对于烷基环氧乙烷，主要 选择从空间位阻小一侧进攻，得到化合物 166，对于 芳基环氧乙烷，倾向于进攻芳甲位碳原子，但是区域 选择性不如烷基环氧乙烷好，得到两种区域异构体 的比例在 3∶ 7至接近 1∶ 1之间(Scheme 39)。 Scheme 39 二硫醚也可以作为环氧乙烷化合物开环的亲核 试剂［104］。二硫醚在保险粉作用下，断裂为烃硫基 负离子，烃硫基负离子再亲核进攻环氧乙烷得到 β- 羟基硫醚。反应过程中首先是保险粉分解为甲醛和 次硫酸氢根负离子 A，其再与二硫醚反应，生成两个 自由基中间体 B 和 D 以及烃硫基负离子 C，自由基 B 和 D 也可以生成烃硫基负离子 C，最后烃硫基负 离子 C 从环氧乙烷化合物空间位阻小的一侧进攻 得到 β-羟基硫醚(Scheme 40)。 Scheme 40 3. 3 硒亲核试剂开环 氧族亲核试剂中，除了含氧和硫的亲核试剂外， 苯硒酚［105］也可以作为环氧乙烷的开环亲核试剂。 第 1 期 周 婵等 非对称环氧乙烷的区域选择性亲核开环反应 ·177· 苯硒酚在十二磷钼酸铵(AMP)的催化作用下，能亲 核进攻烷基环氧乙烷取代少的碳原子得到产物 168，进攻芳基环氧乙烷的芳甲位碳原子得到产物 169。与二硫醚相似，二硒醚也可以作为环氧乙烷开 环亲核试剂。苯基二硒醚在三丁基膦还原下生成苯 硒负离子，其对烷基环氧乙烷亲核进攻取代少的碳 原子，对芳基环氧乙烷主要进攻取代少的碳原子，但 也有少量进攻芳甲位碳原子的产物［106］。这可能也 是由于苯硒负离子的亲核性很强，底物电子效应的 影响相对较小，空间效应成为主要影响因素所致。 Scheme 41 4 卤素亲核试剂开环 对于单取代烷基环氧乙烷 170，氟亲核试剂对 其进行亲核开环时，其进攻的区域选择性决定于氟 试剂的种类和所加添加剂［107］(Scheme 42)。当使 用 Olah 试剂(Py·9HF)时，经历似 SN1 反应，主要进 攻环氧乙烷取代多的碳原子，得到产物 172;当使用 二氟氢钾时，经历似 SN2 反应，主要进攻取代少的碳 原子，得到产物 171;使用三乙胺时，此反应没有区 域选择性，得到近 1∶ 1的两种开环产物。 Scheme 42 1-甲基-3-乙基咪唑氟化氢络合物是一种能在温 和条件下使环氧乙烷开环的离子液体型氟亲核试 剂［108］(Scheme 43)。该氟亲核试剂区域选择性地 进攻环氧乙烷取代多的碳原子，反应按照似 SN1 机 理进行，电子效应起主导作用。 溴化镁、碘化镁、溴化钠等化合物中的卤素负离 Scheme 43 子在亲核进攻时具有很好的区域选择性［109］。当环 氧乙烷的 2 位上有酯基或者羟甲基时，卤化镁中卤 素负离子全部进攻 3 位碳原子，因为在此反应中卤 化镁不仅是亲核试剂，也是很好的 Lewis 酸，镁离子 能与环氧及 2 位上酯基中的羰基氧或者羟基氧很好 地配位，稳定了 2 位碳原子，使得亲核试剂不容易进 Scheme 44 攻 2 位碳原子(Scheme 44)。对于 2 位酯基取代的 环氧乙烷化合物 173，在酸性的阳离子交换树脂 Amberlyst 15 催化下，卤化钠对其亲核开环时却选择 进攻 2 位碳原子，主要是因为钠是很弱的 Lewis 酸， 其与氧的配位作用弱，卤负离子主要进攻 2 位原子 和酯基能够稳定开环反应过渡态的电子效应有关。 对于异碳双取代的环氧乙烷 175，2 位上被醛基取 代，3 位上被苄氧甲基取代，溴负离子进攻 2 位碳原 子得到相应的产物 176，因为镁离子能与环氧及苄 氧甲基中的氧原子很好地配位，稳定了 3 位碳原子， 使得溴负离子不利于进攻 3 位碳原子。对于 2、3 位 取代基中都含有氧原子的环氧乙烷 177，溴负离子 ·178· 化 学 进 展 第 23 卷 对其进行亲核开环时，没有区域选择性，因为 2、3 位 的取代基中都含有氧原子，都能和镁离子进行配位， 失去了对区域选择性的控制。 烯基取代的环氧乙烷 180 在 Lewis 酸 MgBr2 的 催化下，在乙醚、二氯甲烷、丙酮和乙腈中开环得到 两种产物异构体 181 和 182 的比例依次为 4∶ 1、6∶ 1、 8∶ 1和 15∶ 1;在 Lewis 酸 Amberlyst15 /LiBr 催化下，在 丙酮中开环得到两种产物异构体 181 和 182 的比例 为8∶ 1;在 PPh3Br2 催化下，在二氯甲烷中开环得到 这两种产物异构体的比例为 11 ∶ 1。不管是在哪种 Lewis 酸催化，溴负离子都主要发生 SN2 反应得到进 攻烯丙位碳原子的开环产物 181(Scheme 45)，而不 是发生进攻双键 β-碳原子的 SN2′反应 ［110］。未发生 SN2′反应的原因可能是因为卤素负离子的亲核性不 够强，虽然可以亲核进攻环氧乙烷，但不能亲核进攻 双键 β-碳原子发生 SN2′反应。 Scheme 45 碘化钐也可以作为亲核试剂对环氧乙烷进行开 环反应［111］，碘化钐首先与环氧乙烷 184 反应得到 Scheme 46 中的中间体 A，亚胺 183 中的氮再进攻中 间体 A 中与碘原子相连的碳原子，再关环生成 1，3- 唑烷 185(Scheme 46)。 Scheme 46 5 总结与展望 不同取代的环氧乙烷在各类亲核试剂的进攻下 发生开环反应以释放其环张力，与氮杂环丙烷的亲 核开环反应相似［112］，非对称的环氧乙烷亲核开环 的区域选择性既与其自身结构，也与亲核试剂和催 化剂(质子酸或 Lewis 酸)等反应条件密切相关。本 文通过对各类亲核试剂与不同取代环氧乙烷发生亲 核开环反应及其区域选择性的系统总结，可以得到 以下规律:强亲核性的亲核试剂通常只受空间效应 的影响，进攻非对称环氧乙烷位阻小的碳原子，对于 烯基取代环氧乙烷还可以在烯基的 β-碳原子上发 生 SN2′开环反应。其他亲核试剂同时受空间效应 和电子效应的影响，对于烷基环氧乙烷通常进攻其 取代少的碳原子，空间效应起主导作用;而对芳基和 烯基取代环氧乙烷开环反应通常发生在环氧乙烷芳 甲位和烯丙位的碳原子上，电子效应起主导作用。 在质子酸或强 Lewis 酸存在下，虽然单烷基环氧乙 烷的开环仍然发生在其取代少的碳原子上;但对于 芳基、烯基和同碳双取代环氧乙烷，亲核开环反应将 主要受电子效应控制，一般亲核试剂倾向于进攻环 氧乙烷的芳甲位、烯丙位或多取代的碳原子;只有亲 核性很强的亲核试剂才能够进攻环氧乙烷位阻小的 碳原子。分子内的亲核开环反应主要受成环时环大 小的控制，成环时的倾向是五元环 > 六元环 > 七 元环。总的来说，环氧乙烷亲核开环的区域选择性 是环氧乙烷和亲核试剂空间效应和电子效应平衡的 结果。大多数亲核试剂亲核进攻时同时受位阻效应 和电子效应的影响，而亲核性强的亲核试剂通常只 受空间效应的影响。 环氧乙烷的开环反应是合成邻羟基类化合物的 重要方法之一。总结和分析环氧乙烷开环反应的区 域选择性可以更好地认识和利用这一反应，有效地 预测和控制开环反应的方向，来制备所需要的有机 化合物。 参 考 文 献 ［1 ］ Zhang W X，Ye K，Ruan S，Chen X，Xia Q H. 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