例題及解析

例題1　麻黃素又稱麻黃堿，是我國特產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，經我國學者確定，其結構如下：

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的旋光異構體。

（2）按此路線合成出的產物D是否具有旋光性？簡述理由。

（3）指出化合物D的各種旋光異構體間的關系（對映體、非對映體）。

（4）寫出化合物C的各種旋光異構體的最穩定構象（Newman式表示）。

解析：　先沿著化學反應的程序寫出每步反應的產物結構。

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

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體。化合物D含2個手性碳原子，因此它應該有2對對映異構體，即共有四個旋光異構體：d₁、d₂、d₃、d₄。其中d₁與d₄、d₂與d₃互為對映異構體；d₁與d₂、d₁與d₃、d₂與d₄、d₃與d₄互為非對映異構關系。化合物C的穩定構象的Newman投影式為：

例題2　Aldol（羥醛）縮合反應是有機合成中形成碳碳鍵的一類重要反應。1957年，美國西北大學的Zimmerman和Traxler首先提出了著名的椅式構象的六元環過渡態模型，即后人常稱的Zimmerman-Traxler模型。該模型首次從立體化學的角度對Aldol縮合反應進行了剖析，指出烯醇鹽構型與產物立體化學之間的對應關系，較好地解釋了產物的立體化學特征。隨后Dubois、Heathcock、Evans等先后對Aldol縮合反應的立體化學進行了更加深入細致的研究，進一步完善了Aldol縮合反應的立體化學控制技術，實現了高度非對映選擇性合成Aldol縮合產物。試基于Zimmerman-Traxler模型說明Aldol縮合反應的立體化學控制方法。

解析：　Aldol（羥醛）縮合反應中，碳碳形成中的立體化學與加成反應中的椅式環己烷過渡態構象有關。過渡態的構象決定于負碳離子共振結構中烯醇離子的Z、E式結構與金屬離子配位的結果，以及反應屬動力學控制還是熱力學控制。最后可得到蘇式或赤式占優勢的產物。

Zimmerman-Traxler模型如圖2-1所示（能量相等的對映體的過渡態未在圖中顯示）。當烯醇鹽與羰基進行親核加成時，羰基從垂直角度接近烯醇鹽，與烯醇氧鍵合的金屬M（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結構的過渡態。若將過渡態中的羰基碳標記為1，烯醇鹽的兩個碳標記為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。在此過渡態中，有空阻作用的取代基應盡可能采取平伏鍵狀態，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兩種不同構型，Z型烯醇鹽上的R¹和R²同時處于六元環過渡態中的豎鍵，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種環狀過渡態中［圖2-1（1）～（4）］，過渡態（2）和（4）由于R¹和R之間存在著較強的1，3-豎鍵相互作用，能量較高，不穩定；相比較而言，過渡態（1）和（3）能量較低，容易形成，從而導致相應立體構型的產物占優勢。即E型烯醇鹽傾向于生成反式產物，而Z型烯醇鹽傾向于生成順式產物，也就是說烯醇鹽的幾何構型決定了Aldol縮合產物的立體選擇性。

例如：低溫時，2，2-二甲基-3-戊酮在動力學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-加成產物。

羰基化合物中取代基越大，這種立體選擇性越強。

上述反應如在室溫條件下進行，反應產物則可由較大比例的syn-異構體轉化為anti-異構體。因為E型烯醇離子加成時環狀過渡態甲基處于平伏鍵，穩定增大，在熱力學控制條件下就轉化成更穩定的產物。

堿的體積也影響Z/E的比率。

為了改善Aldol縮合反應的立體選擇性，可由兩個方面入手：加強碳負離子形成時的立體選擇性，改善加成反應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）中氧硼鍵結合比烯醇鋰鹽更具共價鍵特征，過渡態的結構比較緊密，這種立體效應使得加成選擇性增加。在對許多乙基酮化合物的研究中，發現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，它與醛進一步加成，得syn-加成物。

當α-重氮酮與三烴基硼烷反應可得到E型烯醇硼酸酯，進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型烯醇硼酸酯轉化成Z型。

對于環己酮，其烯醇鹽由于成環的因素只可能為E構型，所以當其與苯甲醛發生Aldol縮合時，得到的主要產物為反式產物。

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

（2）畫出（R）-1-乙氧基-2-丙醇的立體結構式。

解析：　（1）環氧丙烷中兩個C—O鍵都有可能斷裂。在酸性介質中，氧原子先得到質子，再斷裂碳氧鍵，優先生成較穩定的碳正離子，然后接受乙醇分子的進攻，這是S_N1機理。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，機會相等，所以得到的是外消旋體，即R-和S-型異構體各半。

在堿性介質中，乙醇分子首先丟掉質子，成為乙氧基負離子，它再進攻環氧丙烷的碳原子。進攻環氧丙烷的哪一個碳原子呢？應該進攻位阻較小的碳原子，即CH₂的碳原子。進攻時同時斷裂環氧上的C—O鍵，生成產物。此時，原來的手性碳原子（即次甲基CH上的碳原子）始終沒有受到進攻，因此保持手性構型不變，產物是唯一的，保型結構。即若原料是R-型的，產物仍是R-型的。

（2）（R）-1-乙氧基-2-丙醇的立體結構式可以用下面任何一種方式表達：

例題4　以下兩種生物堿可以在室溫下相互轉化，在達到平衡態時，兩者的比例為3∶2。畫出它們互相轉化時中間體A的立體結構簡式。

解析：　兩種化學式相同的生物堿可以互相轉化。觀察兩個分子的結構可知：右側的六元并環結構沒有變化，而左側的五元環與六元環發生可逆轉化。該環系中沒有特殊的活潑碳碳鍵，在室溫下很難發生碳碳單鍵可逆斷裂的反應，故碳原子的連接順序沒有變化，據此可將該分子左側環系如下圖編號進行分析：

觀察編號可知：反應中發生了C4—N和C5—Cl鍵的形成，同時該反應具有立體選擇性。由于該分子自身即可發生互變，所以反應是分子內的。該分子含有一個三級胺結構的氮原子，具有一定的親核性；氯原子可作為一個離去基團。故該分子可發生分子內S_N2反應，結合對斷鍵和成鍵的分析容易看出，氮原子的孤對電子進攻與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，這里S_N2反應再次發生：Cl^-對C4親核進攻，同時—R₃N⁺離去，三元環開環釋放張力：

最后可驗證該反應的機理的確與立體選擇性相符。該反應與α-鹵代胺的鄰基參與效應類似，C—X鍵鄰位的氨基可以發生動力學上有優勢的分子內親核取代反應，生成氮雜環丙烷結構的中間體A。A可發生Cl^-對C4和C5的競爭性進攻，得到兩種生物堿的混合物。

例題5　什么是端基效應？舉例說明端基效應控制產物的立體化學。

解析：　基礎有機化學一般認為取代環己烷的優勢構象是較大基團在e鍵上，以盡量減小空間位阻的影響，但當有電負性較大的元素存在時，情況有所不同。如反-1，2-二氯環己烷的穩定構象是aa鍵，而不是ee鍵。

特別是當環上有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，大基團是對位交叉構象，而處于a鍵時是鄰位交叉構象，盡管存在空間的不利因素，還是直立鍵比平伏鍵占優勢。1995年Edward首次在吡喃糖中發現這種效應，由于涉及端基位（C1位），人們將這種效應稱為端基效應（anomeric effect）。

D-甘露糖是D-葡萄糖的C2差向異構體，當它形成吡喃環時，人們發現α-D-吡喃甘露糖比β-D-吡喃甘露糖穩定，盡管α-D-吡喃甘露糖中有兩個羥基占據直立鍵，而β-D-吡喃甘露糖只有一個，但α-D-吡喃甘露糖還是占68%，為優勢構象（圖2-2）。這一現象稱為糖的端基效應。

并非只有D-吡喃甘露糖具有端基效應。當人們用醇和質子酸處理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%。用醇和質子酸處理α-D-吡喃葡萄糖時得到相同結果。

端基效應控制著產物的立體化學。例如：芳醛可與二烯發生氧雜Diels-Alder反應，生成的環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體產物。在堿性條件下，甲氧基親核進攻硅，離去的烯醇負離子發生質子交換生成產物，端基碳原子的手性保持不變。在酸性條件下，當烯基硅醚醇解時，縮醛通過開鏈轉化成更穩定的有端基效應的縮醛。