溴與不同取代C＝C雙鍵反應的機理和立體選擇性

許家喜，麻遠

1北京化工大學化學學院，北京 100029

2清華大學化學系，北京 100084

溴與C＝C雙鍵的反應是有機化學中一類常見的基元反應。既存在于通過溴與烯烴加成來制備鄰二溴代烷，也存在于酮和羧酸α-位溴化反應的機理中[1,2]。酮和羧酸的α-位溴化是先形成烯醇或者烯醇負離子，然后溴與烯醇或者烯醇負離子的C＝C雙鍵反應實現的[1,2]。這兩類反應雖然都包括溴對C＝C雙鍵的反應，但是，前者是親電加成先形成三元環溴正離子中間體，然后脂肪烯烴形成的中間體經過溴負離子親核開環，得到立體專一的反式鄰二溴代烷；芳基烯烴形成的中間體還會經過先開環形成芳甲位碳正離子，再與溴負離子結合，形成順式和反式鄰二溴代烷的混合物。而后者卻是親電取代形成質子化的α-溴代羰基化合物(酸性條件下)或者α-溴代酮(堿性條件下)。這種同一類型的基元反應，卻經過不同的反應機理，常常是教學難點，令學生感到困惑。而現行的教材中都沒有對二者的區別給出合理的解釋，只是各講各的機理，互不相干?；瘜W反應的本質就是反應物軌道間的相互作用。為了解釋這些問題，提高學生對有機化學反應機理的深入認識，我們在教學過程中，通過引入分子軌道解釋反應機理[3-7]，來說明這兩類機理的差別。既加深了學生對反應機理的理解，也提高了學生利用分子軌道相互作用解釋有機反應選擇性的能力。通過對這兩類底物同一個基元反應的分析，給出了判斷溴與C＝C雙鍵反應機理和產物立體選擇性的方法，便于教師講授和學生理解。

1 溴與烯烴的親電加成反應

溴對簡單烯烴的親電加成是極化后的溴分子與烯烴的C＝C雙鍵經過三元環溴正離子中間體，然后溴負離子再對該三元環親核開環來實現的。對于脂肪烯烴，該反應是立體專一的反式加成反應，如果C＝C雙鍵上同一個碳原子上的取代基不同，就會生成一對對映異構體[1,2](圖1)。

圖1 溴與烯烴的親電加成機理(a)及反應的分子軌道(b)

從分子軌道來看，反應過程中，溴對簡單烯烴的親電加成就是烯烴C＝C雙鍵的π鍵(HOMO軌道)與溴分子的Br―Br反鍵軌道(σ*Br―Br，LUMO軌道)相互作用的結果。烯烴C＝C雙鍵的π鍵是由兩個波相相同的碳原子p軌道相互作用形成，其中間位置波相疊加，軌道系數最大，因此，溴分子的LUMO軌道就會與C＝C雙鍵的π軌道中間重疊，這樣可以實現軌道的最大重疊，最有利。因此，會形成三元環溴正離子中間體。所以，溴與簡單烯烴的親電加成反應都經過三元環溴正離子中間體。隨后，溴負離子對三元環溴正離子中間體進行親核開環，溴負離子(HOMO軌道)進攻三元環的C―Br反鍵軌道(σ*C―Br，LUMO軌道)，得到反式加成產物(圖1)[3]。

與脂肪烯烴不同，芳基烯烴與溴的親電加成不是立體專一的[8]。溴對芳基烯烴的親電加成也是極化后的溴分子與烯烴的C＝C雙鍵先形成三元環溴正離子中間體，溴負離子對部分三元環溴正離子親核開環得到立體專一反式加成產物。但是，由于芳基對碳正離子的穩定作用，部分三元環溴正離子會發生開環形成芳甲位碳正離子，溴負離子可以從碳正離子的上下分別進攻碳正離子，分別得到順式和反式加成產物。如果C＝C雙鍵上同一個碳原子上的取代基不同，就會生成一對非對映異構體[1,2]。(Z)-1-苯基丙烯的順式加成產物比(E)-1-苯基丙烯的高，是由于其形成碳正離子后C―C單鍵旋轉，形成位阻小的苯基和甲基接近對位交叉構象的穩定碳正離子，然后再與溴負離子反應造成的(圖2)。

從分子軌道來看，是芳基的HOMO軌道與芳甲位C―Br反鍵軌道(σ*C―Br，LUMO軌道)作用，導致三元環開環，形成穩定的芳甲基碳正離子。然后，溴負離子(HOMO軌道)從上下分別進攻碳正離子的空p軌道(LUMO軌道)，得到順式和反式加成產物(圖2)。

圖2 溴與芳基烯烴的親電加成(a)、機理(b)及反應的分子軌道(c)

2 酮和羧酸α-位溴化反應中的溴與C＝C雙鍵反應

酮的α-位溴化反應是酮首先在酸或堿條件下生成烯醇或者烯醇負離子，然后極化后的溴分子與烯醇親電取代形成質子化的α-溴代酮，與烯醇負離子親電取代形成α-溴代酮，質子化的α-溴代酮進一步脫掉質子得到α-溴代酮(圖3)[1,2]。

羧酸的α-位溴化反應，即Hell-Volhard-Zelinsky反應，通常是三溴化磷先把羧酸轉化成酰溴，酰溴烯醇化，然后極化后的溴分子與生成的烯醇親電取代形成質子化的α-溴代酰溴，再進一步與反應體系中的羧酸反應，形成質子化的混合酸酐，溴負離子與其反應后得到α-溴代羧酸，并形成新的酰溴。因此，該反應只需要催化量的三溴化磷和等量的溴就可以實現羧酸的α-位溴化(圖3)[1,2]。酰氯和混合酸酐也可以發生與酰溴相似的α-位溴化反應。

圖3 酮(a)和羧酸(b) α-位溴化的反應機理，共軛體系的分子軌道(c)及溴與烯醇C＝C鍵反應一步的分子軌道(d)

雖然溴與烯醇和烯醇負離子中C＝C雙鍵的反應與溴和烯烴C＝C雙鍵的反應是相似的基元反應，但是，溴與烯醇和烯醇負離子的反應都沒有經歷三元環溴正離子中間體。烯醇和烯醇負離子可以看成是羥基和氧負離子取代的烯烴，酰溴形成的烯醇是羥基和溴雙取代的烯烴，為什么這些取代的烯烴與溴加成都沒有經歷三元環溴正離子中間體呢？仔細分析它們的共軛體系，我們會發現，與C＝C雙鍵相連的氧原子的p軌道參與了與C＝C雙鍵的共軛，形成了與烯丙基負離子相似的共軛體系(這里采用的是簡化了的烯醇軌道示意圖)。在該共軛體系中，ψ2是其HOMO軌道，溴分子的Br―Br反鍵軌道(σ*Br―Br，LUMO軌道)與共軛體系的HOMO軌道(ψ2)發生作用，溴的σ*Br―Br軌道只有與軌道系數大的烯醇β-碳原子上的p軌道重疊，才能實現最大的有效重疊，這兩個軌道間的相互作用是不會形成三元環溴正離子中間體的(圖2)[3]。這就是為什么在酮和羧酸α-位溴化中的溴與烯醇或烯醇負離子中C＝C雙鍵的反應都不會經過三元環正離子中間體的原因。

3 溴與烯醇醚和烯胺的加成反應

烯醇醚是烴氧基取代的烯烴，與烯醇或者烯醇負離子的電子結構相似，也是共軛體系。因此，溴與烯醇醚親電加成的機理應該與溴與烯醇或者烯醇負離子的C＝C雙鍵的親電加成機理相似。眾所周知，溴與環己烯加成形成立體專一的反式-1,2-二溴環己烷。溴與環己烯的含氧類似物二氫吡喃反應時，的確沒有得到專一的反式鄰二溴加成產物，而是生成了反式和順式-二溴加成產物的混合物。溴正離子先與二氫吡喃共軛體系的HOMO軌道反應，生成鄰溴代的氧雜環己烯氧鎓離子，溴負離子進攻與氧鎓離子相連的不飽和碳原子，得到二溴代產物，由于溴負離子可以分別從C＝O雙鍵的兩側進攻，因此得到反式-和順式-二溴代混合物，并且，對于沒有取代的二氫吡喃，位阻小的反式產物為主要加成產物(圖4)。

圖4 溴與二氫吡喃的親電加成反應(a)及其機理(b)

對于取代的二氫吡喃，取代基的位置和構型明顯影響產物的立體化學(圖5)。(R)-2-取代二氫吡喃主要得到反式加成產物。因為(R)-2-取代二氫吡喃主要以其取代基處于平伏鍵的構象存在，其與溴加成，主要產物為反式產物。而少量的取代基處于直立鍵構象的原料生成的氧鎓鹽中間體會發生構象轉化，再與溴負離子反應，生成順式產物為次要產物。因為溴負離子直接進攻氧鎓鹽中間體時，溴負離子從取代基所在一側接近，位阻較大。構象轉化后，溴負離子從取代基的另一側接近，位阻小，因此生成順式產物[9](圖5，反應5-1)。

烯糖也是含有取代基的二氫吡喃衍生物，其與溴加成得到的產物就是糖基供體，該反應是制備糖基供體的有效途徑之一，在糖化學中得到廣泛應用。溴與烯糖加成產物的立體選擇性通常受其取代基的位置和構型的影響(圖5，反應5-2和5-3)[10]。反應式5-2中的烯糖，2個取代基處于平伏鍵和1個取代基處于準平伏鍵的構象中，取代基彼此之間都是鄰位交叉構象，三個較大的取代基為兩組鄰位交叉構象，因此，該構象式并不穩定；反而是在其構象轉換體中，2個取代基處于直立鍵和1個取代基處于準直立鍵，取代基彼此之間均是對位交叉，只是與環上鄰位碳原子上較小的亞甲基為鄰位交叉構象，因此，該構象式比較穩定。其穩定的構象式與(R)-2-取代二氫吡喃取代基處于直立鍵的構象反應相似，因此，得到的主要產物為順式加成產物。對于反應式5-3中的烯糖，由于三個取代基均為順式關系，其兩個半椅式構象轉換體的能量差不多，因此，得到的反式和順式產物的產率也就差別不大。

圖5 溴與二氫吡喃衍生物的親電加成反應

與烯醇醚相似，溴與烯胺的反應也不經過三元環溴正離子中間體，是極化后的溴分子中Brδ+加到烯胺的β-碳原子上，形成β-溴代亞胺鹽中間體，該亞胺中間體水解得到β-溴代酮(圖6)[11]。

圖6 溴與烯胺的親電取代反應

可以預測，鹵代烯烴C＝C―X與溴的親電反應也不會經過三元環溴正離子中間體，會形成帶有Br―C―C＝X+結構的中間體，然后進一步與溴負離子反應得到BrC―CBrX類型的產物。

4 結語

雖然溴與烯烴的親電加成反應和溴與酮及羧酸的α-位溴化反應中都包含溴與C＝C雙鍵的基元反應，但由于簡單烯烴的C＝C雙鍵就是π鍵體系，而烯醇和烯醇負離子以及烯醇醚中的C＝C雙鍵與相連氧原子的p軌道形成了C＝C―O共軛體系，這兩類體系的HOMO軌道不同，導致了它們與溴發生親電反應的機理不同。從以上分析可以看出，與烷基相連的C＝C鍵，只是作為π鍵體系與親電試劑發生加成反應；而與含有孤對電子的雜原子相連的C＝C鍵，如烯醇衍生物、烯胺和鹵代烯烴類化合物中的C＝C鍵，則作為共軛體系與親電試劑發生反應。通過引入分子軌道解釋反應機理，可以清楚地解釋這兩類底物中溴與C＝C雙鍵反應的機理和立體選擇性的差別?；瘜W反應的本質就是軌道相互作用，在教學中加強分子軌道的應用，可以提高學生對有機化學反應機理的理解。