[科普中國]-氮葉立德

葉立德（Ylide），又稱鎓內(nèi)鹽， 指由供電子的Lewis結(jié)構(gòu)（類似于配位鍵）形成的正負(fù)電荷處于鄰位，且均滿足八電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)鹽分子。通常地，葉立德可以寫成共振式，其中一個(gè)共振雜化體具有雙鍵。

1953Wititg 和Giessler發(fā)現(xiàn)二苯酮和亞甲基三苯膦作用，得到幾乎定量的不對(duì)稱二苯乙烯。這個(gè)發(fā)現(xiàn)立即引起了合成有機(jī)化學(xué)家的重視，稱之為Wittig 反應(yīng)。

簡(jiǎn)介葉立德葉立德指的是一類在相鄰原子上有相反電荷的中性分子。葉立德在有機(jī)化學(xué)，尤其是有機(jī)合成中有很多應(yīng)用。 指由供電子的Lewis結(jié)構(gòu)（類似于配位鍵）形成的正負(fù)電荷處于鄰位，且均滿足八電子結(jié)構(gòu)的內(nèi)鹽分子。通常地，葉立德可以寫成共振式，其中一個(gè)共振雜化體具有雙鍵。

最常見的葉立德是磷葉立德。Wittig反應(yīng)中即是用磷葉立德與羰基化合物反應(yīng)制得烯烴。通常磷上的正電荷被三個(gè)取代的苯基所穩(wěn)定，而碳則與兩個(gè)烷基相連。根據(jù)磷葉立德的穩(wěn)定性不同，大概可將其分為兩類：穩(wěn)定的一類只與醛反應(yīng)，而不穩(wěn)定的一類則與醛和酮都反應(yīng)。

Corey-Chaykovsky反應(yīng)中，硫葉立德被用于合成環(huán)氧化合物。其中R1，R2是吸電子基。這類葉立德可用N-取代的吖丙啶開環(huán)或α-氨基酸與醛縮合制得。1

氮葉立德由于制備胂葉立德所用的三苯胂劇毒，對(duì)環(huán)境不友好，而氮葉立德由于毒性小、制備所用三級(jí)胺來源廣泛且易得，在立體選擇性構(gòu)建環(huán)丙烷體系領(lǐng)域近年來受到越來越多的關(guān)注。具有R3P-NR結(jié)構(gòu)的疊氮膦被用于Staudinger反應(yīng)中。一般認(rèn)為Tebbe試劑具有部分鈦葉立德的性質(zhì)。1

反應(yīng)除了Wittig反應(yīng)之外，很多葉立德還是1,3-偶極體，可以進(jìn)行1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)。如亞甲胺葉立德與富勒烯進(jìn)行Prato反應(yīng)。

某些磷葉立德也可以進(jìn)行[3,3]-σ遷移反應(yīng)。研究表明，Wittig試劑在SN2反應(yīng)中是親核試劑，消除反應(yīng)發(fā)生于加成反應(yīng)后。2

Wittig-Horner反應(yīng)

雖然Wittig反應(yīng)在制備含雙鍵化合物方面具有很大的優(yōu)越性，但它也有不足之處。比如穩(wěn)定性亞甲基化膦，一般只能與醛反應(yīng)，不能與酮反應(yīng)，特別穩(wěn)定的亞甲基化膦，甚至不能與最活潑的醛反應(yīng)，這是由于亞甲基上的取代基團(tuán)是吸電子基團(tuán)，如羧酸、羧酸酯、腈等，使亞甲基碳原子的親核性減低，不易同羰基化合物反應(yīng)的緣故。但是合成含有這些吸電子基團(tuán)的烯類化合物，在有機(jī)合成方面常常是很需要的。為了使亞甲基碳原子的親核性增強(qiáng)，有許多改進(jìn)Wittig反應(yīng)的方法，其中最有效的是把磷原子上的苯基用氧或乙氧基取代，也有用胺基取代的，在改良方法中，以亞甲基化膦酸二乙酯負(fù)離子法最受重視，也稱為Horner - Emmons改良法，有人把它稱為Wittig-Horner羰基成烯反應(yīng)。亞甲基化膦酸二乙酯負(fù)離子簡(jiǎn)稱為Wittig-Horner試劑。Wittig-Horner反應(yīng)是利用膦酸酯和羰基化合物在堿存在下成烯。1

應(yīng)用三元環(huán)與雜環(huán)直接共用一個(gè)碳原子形成螺環(huán)結(jié)構(gòu)后，三元環(huán)的張力有時(shí)會(huì)顯著增強(qiáng)，從而開環(huán)傾向增大，這使此類螺環(huán)丙基雜環(huán)化合物成為構(gòu)建更復(fù)雜化合物的一類重要中間體，而且雜環(huán)化合物在引入螺環(huán)丙基后本身的生理活性也常常會(huì)發(fā)生顯著的改變，因此螺環(huán)丙基雜環(huán)化合物的合成方法及其應(yīng)用一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前報(bào)道構(gòu)建螺環(huán)丙基結(jié)構(gòu)的方法主要有過渡金屬催化的烯烴與疊氮化合物的反應(yīng)、1,3-偶極環(huán)加成、Diels-Alder 反應(yīng)和Michael 加成后的分子內(nèi)親核取代等。這些方法得到的產(chǎn)物有時(shí)選擇性不是很高，并得到順反異構(gòu)體的混合物。胂葉立德作為一種構(gòu)建環(huán)丙烷體系的試劑，具有立體選擇性好、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。我們?cè)?jīng)利用胂葉立德實(shí)現(xiàn)了螺[環(huán)丙烷-1，4'-吡唑啉-5'-酮]衍生物的高立體選擇性合成。但是由于制備胂葉立德所用的三苯胂劇毒， 對(duì)環(huán)境不友好，而氮葉立德由于毒性小、制備所用三級(jí)胺來源廣泛且易得，在立體選擇性構(gòu)建環(huán)丙烷體系領(lǐng)域近年來受到越來越多的關(guān)注。在本文中，我們嘗試用1，4-二氮雜雙環(huán)【2.2.2】辛烷（DABCO）衍生的氮葉立德，研究螺[環(huán)丙烷-1,4'-吡唑啉-5'-酮]衍生物的合成，將結(jié)果與用胂葉立德反應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行了比較，并通過反應(yīng)機(jī)理對(duì)兩種葉立德的性質(zhì)對(duì)反應(yīng)的影響做了解釋。3

聚乙烯負(fù)載的氮葉立德的合成利用(O－NX) TiCl3非茂聚烯烴催化劑實(shí)現(xiàn)了乙烯和4-(10-十一烯) -吡啶的共聚合反應(yīng)，將吡啶基團(tuán)成功地負(fù)載在聚乙烯上，在5%( 摩爾分?jǐn)?shù)) 的負(fù)載吡啶和1%(摩爾分?jǐn)?shù)) 的卟啉鐵的催化作用下，此聚合物作為負(fù)載型催化劑可以高效地催化重氮化合物與雙拉電子Michael 受體的反應(yīng)，高產(chǎn)率、高非對(duì)映選擇性地得到二氫呋喃衍生物。催化劑至少可以回收使用3 次，反應(yīng)收率均大于90%。

1 負(fù)載型催化劑的合成

在前期研究中發(fā)現(xiàn)，(O－NX) TiCl3非茂金屬聚乙烯催化劑具有良好的極性單體容忍性，并能催化乙烯與含極性官能團(tuán)的烯烴單體的共聚合行為，從而高活性地合成含官能團(tuán)的聚乙烯。同樣利用催化劑4，在MMAO 的助催化下，催化乙烯與4-(10-十一烯) -吡啶共聚合，成功地得到了聚乙烯負(fù)載的含吡啶基團(tuán)的聚合物，用于催化葉立德反應(yīng)的研究。4

2 4-( 10-十一烯) -吡啶催化的二氫呋喃化反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)考察了4-( 10-十一烯) -吡啶催化二氫呋喃化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在4-( 10-十一烯) -吡啶用量為0. 01 mmol、卟啉鐵用量為0. 002 mmol 以及重氮用量為0. 4 mmol 時(shí)，底物( 0. 2 mmol) 能以92%的轉(zhuǎn)化率及90%的收率得到產(chǎn)物。與文獻(xiàn)。報(bào)道的吡啶的催化結(jié)果相當(dāng)。

3 PE-pyridine 用量對(duì)反應(yīng)的影響

由于聚乙烯在溫度高于90 ℃時(shí)才能溶解于甲苯中，利用PE-pyridine 催化的化合物的反應(yīng)需要在90 ℃下進(jìn)行． 在卟啉鐵用量為0. 002 mmol、PE-pyridine 用量為0. 02 mmol 以及過量的重氮存在下反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，很難避免重氮的偶聯(lián)反應(yīng)。通過條件優(yōu)化，選擇重氮用量為0. 4 mmol，且在稀釋的情況下利用注射泵緩慢滴加至體系中，既可以減少重氮的偶聯(lián)，又能保證底物的全部轉(zhuǎn)化。值得一提的是，即使PE-pyridine 的用量從0. 02 mmol 降至0. 01mmol，甚至0. 004 mmol，反應(yīng)仍能以高于90%的轉(zhuǎn)化率得到二氫呋喃化產(chǎn)物，順利地實(shí)現(xiàn)了催化反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，通過降低反應(yīng)體系溫度可使PE-pyridine 從溶液中析出并通過過濾將其從體系中分離出來。4

4 底物的普適性

考察了苯環(huán)上取代基電性對(duì)反應(yīng)的影響，對(duì)位含有拉電子、給電子取代基的底物都能夠很好地反應(yīng)，并可高產(chǎn)率、高立體選擇性地得到反式產(chǎn)物。而雜環(huán)芳烴( 呋喃基) 底物也能夠以86% 的產(chǎn)率以及大于50∶ 1的兩種非對(duì)映異構(gòu)體的比值( DR) 得到呋喃基取代的二氫呋喃化產(chǎn)物。以上結(jié)果表明，聚合物能夠很好地實(shí)現(xiàn)氮葉立德的催化反應(yīng)，解決了吡啶的揮發(fā)問題，所有反應(yīng)均能以良好的收率得到單一反式結(jié)構(gòu)的二氫呋喃化產(chǎn)物。根據(jù)文獻(xiàn)的工作以及實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果，提出了以下的反應(yīng)機(jī)理，即重氮被金屬分解成金屬卡賓，接受聚乙烯負(fù)載的吡啶的進(jìn)攻并轉(zhuǎn)移形成吡啶葉立德。吡啶葉立德對(duì)底物進(jìn)行Micheal 加成，然后氧負(fù)離子進(jìn)攻與吡啶相連的碳，生成四取代二氫呋喃化合物。

5 負(fù)載催化劑的回收利用

在卟啉鐵用量為0. 004 mmol、催化劑用量為0. 02 mmol 及重氮用量為0. 8 mmol 的條件下，利用底物( 0. 4 mmol) 進(jìn)行了催化劑的回收利用實(shí)驗(yàn)。待反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫，過濾后將濾液濃縮，經(jīng)柱層析提純產(chǎn)物，并將過濾后的固體物質(zhì)直接用于下一輪反應(yīng)中。研究結(jié)果表明，聚乙烯負(fù)載的吡啶催化劑能夠較好地回收利用，3 次回收的情況下反應(yīng)產(chǎn)率均大于90%。催化效率略有降低，可能是催化劑經(jīng)幾次回收后有部分被空氣氧化失去催化活性所致，因此反應(yīng)需要在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行以避免催化劑氧化失活。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大學(xué)