伯奇还原反应
时间:2020-06-17 出处:L滴生活
图一 Arthur John Birch(来源:参考资料4)Arthur John Birch 1915年出生于澳洲雪梨,毕业于雪梨大学,之后曾到过牛津大学、剑桥大学、曼彻斯特大学深造。1,4Birch是二十世纪杰出有机化学家之一,在有机金属化学及生物化学具有一定的影响力,他非凡的创造力使得他在科学
伯奇还原反应

图一 Arthur John Birch(来源:参考资料4)

Arthur John Birch 1915年出生于澳洲雪梨,毕业于雪梨大学,之后曾到过牛津大学、剑桥大学、曼彻斯特大学深造。1,4

Birch是二十世纪杰出有机化学家之一,在有机金属化学及生物化学具有一定的影响力,他非凡的创造力使得他在科学上享誉盛名。其中最被人熟知的反应是伯奇还原反应,其具有广泛的应用性,最重要的应用是在口服避孕药(oral contraceptives)的合成,因此伯奇又有药丸之父的称号。伯奇的聚酮类理论(Polyketide Theory),在生物合成中以及天然物中也被人熟知。另外,他最后发表的研究–合成二烯三羰铁衍生物(diene iron tricarbonyl derivatives),后来也被扩展应用。1,4

在1930年代为了解决具类固醇结构、具芳香环结构的激素以及脂环化合物(alicyclic compound)因为合成这些化合物的技术还不够成熟、且在立体选择性上仍有困难的问题,伯奇利用金属钠与醇类反应,将酯类还原成醇类、甚至还原萘类,但没办法有效还原苯。对于还原过程比较常用一些催化剂、或是高温高压方式来还原的方法(例如:利用铂配合大量的氢气、镍或铜-铬催化剂是一般常用的方法),会使得产物立体选择性的改变,或是会移去一些官能基。当时在类固醇的合成中也遇到问题,因当时还不知道乙烯基醚在酸中容易水解得到羰基化合物。到了1943年,伯奇有了一个重要发现:当在液体氨与金属钠和醇在同一反应中可以有还原的效果,若是在没有取代基的芳香环上可以增加两个氢原子(意指芳香环可以被还原);另一则是可以很容易从乙烯基醚化合物得到羰基化合物。伯奇结合这两个发现设计出实验:首先他将甲氧基苯(1)利用液体氨与金属钠和醇进行还原反应,得到2,5-二氢衍生物(2),再将衍生物(2)在酸性条件下进行水解得到环己-3-烯-1-酮(3),并可在酸催化之下再进行异构化得到产物以环己-2-烯-1-酮(4)。1,4(图二)

伯奇还原反应

图二 伯奇还原反应可将甲氧基苯还原、合成化合物(2)、(3)、(4) (来源:作者绘製)

环己烯酮(cyclohexenone)的衍生物是很多类固醇激素中所含有的结构,此外这个结构在其他的合成中也很常扮演着中间体的角色。伯奇在1944到1950年间在化学期刊上发表了有关此研究的一系列文章,这些文章更是奠定了这一系列化合物在合成上的基础。伯奇也推测出它的反应机构以及取代基不同时所造成的影响。

举例以苯环的例子所绘製的反应机构2,3,5:先利用苯(A)与钠进行电子转移得到得一电子的中间(C),再与甲醇进行质子转移得到(D);中间体(D)再与金属钠进行一次电子转移得中间体(E),最后再与甲醇进行质子转移得到还原产物(B)。(图三)

伯奇还原反应

图三 以苯环的例子的伯奇还原反应5(来源:作者绘製)

在苯环上若改接不同取代基也会有不同效果。下图为接上拉电子基团(图四)以及推电子基团(图五)的反应机构。

伯奇还原反应

图四 苯环上有拉电子基团取代(来源:参考资料8)

伯奇还原反应

图五 苯环上有推电子基团取代(来源:参考资料8)

举例来说,若苯环接上拉电子接团,苯甲酸(I)在接受电子后可以形成中间体(II)或是中间体(III),而中间体(III)可以有一较稳定结构的共振式-中间体(IV);因此在接上拉电子基团时,反应便会比较趋向于以下这条路径,以形成更多稳定的共振中间体。(图六)

伯奇还原反应

图六 拉电子基团的影响7(来源:作者绘製)

而苯环上若接上推电子接团,如图七:苯甲醚(V)在接受电子后可以形成中间体(VI)及中间体(VII),由于推电子效应的关係,中间体(VII)电子云密度较高、产生较大的斥力,因此中间体(VI)的结构相对于中间体(VII)稳定。

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图七 推电子基团的影响7(来源:作者绘製)

由以上共振中间体与苯环上的推拉电子取代基之关係,其影响结果可由图八作为总结。

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图八 推拉电子基团的影响之结果,EDG 表示推电子基团,EWG表示拉电子基团(来源:参考资料2,3)


参考文献



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