2012年9月2日 星期日

四碳環過渡狀態:氫硼化-氧化反應 Four-Member Cyclic Transition State:Hydroboration-Oxidation

有機化學的基礎346
1.        二硼烷B2H6與烯反應後,接著與鹼OH、雙氧水H2O2反應,最後得到在雙鍵上淨增加水分子(HOH)的加成反應結果。
Mozart concerto for flute and harp-2.Mvnt.

2.        不對稱的烯進行二步驟的氫硼化-氧化反應hydroboration-oxidation,製造出來的產物取代基方向是違反馬可尼可夫法則氫氧基OH與烯在雙鍵中取代基較少的碳連接,H卻與烯在雙鍵中取代基較多的碳連接)。
3.        因此,在稀釋的酸中,「1-甲基環己烯1-methylcyclohexene」進行水合作用製造出來的產物,其區域選擇化學與進行氫硼化-氧化反應製造出來的產物相反氫氧基與烯在雙鍵中取代基較多的碳連接,與烯在雙鍵中取代基較少的碳連接)。
4.        此外,「1-甲基環己烯1-methylcyclohexene」進行氫硼化-氧化反應製造出來的產物是「反式-2-甲基環己醇 trans-2-methylcyclohexanol」。
5.        不對稱的烯,進行氫硼化-氧化反應,與在稀釋的酸中進行水合反應,他們的區域選擇化學與立體化學控制情形如下:

6.        氫硼化反應機:順式-加成反應:Mechanism of Hydroborationsyn Addition . 讓我們更詳細地討論氫硼化反應。二硼烷B2H6在平衡狀態下,會與少量的硼烷BH3共存:
B2H6←→2BH3
7.        因為硼B有三個價電子,在維持分子中性的前提下,硼至多只能與其他元素(例如氫)形成3個共價鍵。
8.        在硼烷分子系統中,硼原本自己可以掌控電子,被拿去與氫鍵結,因此硼烷是高度缺電的,所以硼烷可扮演路易斯酸的角色,它會接受任何物質所提供的電子。(這也是為什麼硼烷的主要產物是雙體而不是單體,二個硼烷可以互相取暖分享電子)
9.        當硼與雙鍵接觸,「硼氫」鍵與烯的p軌域上的電子直接交互作用形成一個四個原子組成的環狀過渡狀態;以上這個步驟稱為氫硼化反應hydroboration。因為碳硼鍵與碳氫鍵都在雙鍵的同一側形成,所以這個氫硼化反應屬於順式-加成反應 syn addition
10.     氫硼化反應已被證明是有機與無機化學的重要反應。普渡大學Herbert C. Brown因為他在氫硼化反應方面大量與開創性研究而在1979年獲得諾貝爾化學獎。
11.     有機硼的氧化反應 Oxidation of Organoboranes。氫硼化反應的第二步驟是過氧化物啟動的氧化反應;在鹼性雙氧水環境下(H2O2NaOH),硼烷的「碳—硼」鍵被「碳—氧」鍵取代,使得氫硼化的產物被轉換成醇。
12.     在第二步驟有機硼的氧化反應產生的「CO氧」鍵在空間中的方向位置,與被取代的有機硼的「碳CB」鍵相同。
13.     意思是,由於烯在氫硼化步驟進行的是順式加成反應syn addition,那麼製造出來的產物有機硼也會跟著進行順式加成反應syn addition,最後製造出產物醇,也是順式結構,醇的OH氫氧基與H氫在同一側。
14.     氫硼化-氧化反應的區域選擇性化學 Regiochemistry of HydroborationOxidation.。氫硼化階段,取代基「氫」與「硼」,選擇與「烯的雙鍵」的哪一個碳鍵結(區域選擇化學regiochemistry),會控制後續反應的取代基鍵結位置。
15.     因為烯氫硼化之後,在接下來的氧化步驟,硼B將被氫氧基OH取代,而氫氧基OH會在硼所連接的碳、在同一個方位取代硼,製造出產物醇。
16.     結果往往是,反應製造出來的醇,氫氧基OH位於取代基較少的碳,這是因為在烯與硼進行反應時,硼與取代基較少的碳鍵結比較容易。
17.     徐弘毅注:構成烯的雙鍵的二個碳中,連接較少的碳氫原子團的那個碳,立體阻礙較小,比較有機會讓硼有效碰撞鍵結,並且剛鍵結的碳硼也比較不會被周遭的碳氫原子團排擠掉;另一方面,氫原子比較小顆,體積的阻礙沒有這麼大的影響,因此烯的氫硼化反應結果是,氫原子加成到取代基比較多的碳,硼原子加成到取代基比較少的碳:
n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. WhitesellOrganic Chemistry

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