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为什么“有机不成环,起码错一半”?

为什么“有机不成环,起码错一半”? 西北化工研究院
2025-05-23
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导读:分子内反应活性高

经典名句“有机不成环,起码错一半”告诉我们:任何反应都需要分析其“成环”的可能性,尤其对初学者而言。

本文深入分析其原因。

一、“成环”案例

“成环”又分为两种:

1. 形成环状中间体或过渡态

① 在Smiles重排中,芳环经分子内SN2 Ar发生重排,反应经环状过渡态,如图1

图1:经五元环过渡态的Smiles重排反应

② 在Favorskii重排中,经三元环中间体得到缩环产物(图2);

图2:经三元环中间体的Favorskii重排反应

③ 在Cope消除中,氮氧化物在加热下经五元环过渡态最终得到羟胺和烯烃图3)。

图3:经五元环过渡态的Cope消除反应

2. 形成环状产物

① 卤代醇经分子内亲核取代关环生成环醚(图4)。

图4:经分子内亲核取代环化
② 羟基酸经分子内酯化得到内酯(图5)。
图5:经分子内酯化环化

Bischler-Napieralski 异喹啉合成法(图6)、Combes 喹啉合成法(图7)等通过分子内反应构建芳环环系。

图6:Bischler-Napieralski 异喹啉合成法

图7:Combes 喹啉合成法

二、“成环”驱动力

之所以存在众多“成环”案例,是因为该过程本身具有非常高的驱动力:大量“成环”过程都是分子内反应(参考图1~图7),而分子内反应“天然”具有高活性,尤其跟分子间反应对比。

可从下述两个角度解释分子内反应的高活性

1. 碰撞原理

反应可视为原子或分子彼此间的碰撞,对于分子内反应,碰撞位点之间的距离比分子间反应更发生碰撞的“机会”更大,进而使反应发生的“机会”更大。如图8:分子间反应和分子内反应的碰撞模型对比。

图8:分子间和分子内反应的碰撞模型对比

2. 熵效应

图9为例,卤代醇环化制备环醚是典型的分子内反应,其仅由一分子底物参与反应,却生成两个产物分子:环醚和氢溴酸。

图9环醚的制备

产物分子数量增加意味着体系能量受到更多粒子分散,即熵增,可视为图10:自由奔跑,即系统混乱度增加

图10:自由奔跑(系统混乱度增加,熵增)

而该反应可能存在的分子间SN2竞争反应则要得多,因为它要以熵降低的代价生成过渡态,见图11SN2过渡态两分子合一,熵不利。

图11:分子间副反应熵不利

对标图10,熵不利可视为图12:被卡住,即系统混乱度降低。

图12:被卡住(混乱度降低,熵不利)

所以对于上述底物,相比分子间取代,通过分子内反应形成环醚一般会更,其他分子内反应同理。

上述原理为“成环”提供了大量驱动力。

三、“成环”特点

正因为分子内反应活性通常高于相应的分子间反应,所以很多分子间难发生的反应,只要引入“成环”过程,使之成为分子内反应,就容易发生了

1. 常规的分子间SN2芳香亲核取代需要芳环足够缺电子,但Smiles重排作为经环状过渡态的分子内反应,却甚至部分富电子芳环都能反应(图13);

图13:分子间和分子内SN2芳香亲核取代

2. 分子间Williamson合成法通常无法NaOH 作碱条件下得到产物,因NaOH 碱性不足以拔掉醇氢,但分子内反应在NaOH 下却可顺利构建三元环系(图14);

图14:分子间和分子内Williamson合成法

3. 分子内内酯化环化反应的转化率通常高于常规的分子间酯化反应(图15)。

图15:分子间和分子内酯化


4. 烷氧基在分子间反应(分子间SN2)中不是好的离去基团,但在分子内反应(消除)中却可作离去基团图16)。
(没环?双键即“二元环”)
图16:分子间离去和分子内离去
总结

分子内反应天然具有的高活性推动了“成环”的发生,由此,分子内反应也成为构建环系的重要方法。

注意

1. 成环亦可经分子间反应如环加成,后文讨论;

2. 熵效应及环张力等原因,9~11元环相对难通过分子内反应合成

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西北化工研究院
西北化工研究院是原化工部属重点科研单位,现为延长石油集团科研板块重要成员,是全国煤化工工程技术研究中心、石化行业固体催化净化工程研究中心依托单位,“精细化工催化产业技术创新战略联盟”核心成员,主营业务涉及煤化工、催化净化剂及精细化工等领域。
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