3 杂环化合物及其应用——小环的合成-2012解析
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第三讲 杂环化合物——脂环的合成
第一节 三元杂环化合物的合成 第二节 四元杂环化合物的合成 第三节 五元杂环化合物的合成
第一节 三元杂环化合物的合成
1. 一般合成形式
a)
A AH L
X
A L
L
A=杂原子；L=离去基团：如卤素、OSO3R等。 b)
D B + D B
B=C时；D=杂原子；B=杂原子时，D=亚甲基。
2. 分子内环化法（A法）
1）强碱催化
O HO Me H H Me OHபைடு நூலகம்Me H Me H
(+)反式
Br
SN2
H Me
O H Me
内消旋
工业上用这种方法经由Peremennit反应制取纺织、皮革的柔软剂：
O RNH2 + Cl OEt RHN O OEt H2NCH2CH2OH RHN O NHCH2CH2OH
O
在不同的条件下可以得到邻二醇、醛、酸或环氧乙烷等
a）Ag、Na、K、PtCl2[(PPh3)2、光…..
O O
b）过氧化物：RCO3H…..（Prilezkaev反应）
+ MeCO3H
O
c）H2O2、Vo(acac)、Mo(CO)6…..
O O
d）过氧化物、tBuOOH…..（Sharpless不对称环氧化） 该反应是以四价钛酸酯路易斯酸介导，以过氧化氢衍生物为氧化剂（常为 叔丁基过氧化氢），以酒石酸乙酯为立体诱导配体而进行的烯烃环氧化反应。
可能的机理：
通过使用不同旋光性的酒石酸乙酯（DET）即可改变产物的立体化学。 比如，倘使任一烯丙醇按下图方式摊平，则左旋酒石酸乙酯配体给出平面上氧 化产物，而右旋酒石酸乙酯给出平面下氧化产物：
通过该反应可以高立体选择性地获得含两个手性中心的环氧化物。环氧化物很活 泼，与亲核试剂反应开环后可以衍生出一系列含手性官能团的化合物。成为合成不对 称有机分子的重要手段之一。
O RHN N
2）酸催化
SH + OH Cl O Cl Py S O O Na2CO3
S
这里，如果直接制备则副反应多，产物组成复杂。Py=吡啶
SH HCl SH OH NaHCO3 S
最著名的是Gabriel-Werker氮杂环丙烷的合成，即β –胺基醇和硫酸后再 碱处理得到氮杂环丙烷的：
R1HN R4 R5 R2 R3 OH H R2 R3 R5 R1 N R4
Sharpless不对称环氧化的拓展
Sharpless Asymmetric Aminohydroxylation (AA)
Sharpless Asymmetric Aminohydroxylation (AA)
Sharpless et al. Angew. Int. 1997 438
AA –Mechanism
AA – Best Substrates
Cinnamates best using (DHQ)2PHAL (as drawn) (DHQ)2AQN (regioisomer)
a,b-unsat’d
(DHQ)2PHAL (as drawn) effect ligand unknown
AA – More Substrates
需要获得固定构型的产物时可以采用以下方法：
Me + HOCl Me OH Cl Me O
I + INCO I I
NCO
MeOH H N KOH I NHCO2Me
3. 双键插入法（B法）
1）杂原子插入双键是合成三元杂环化合物的最常用方法。 烯烃直接用氧氧化插入可以直接制备环氧乙烷，但产物难控制：
e）次氯化物氧化…..（Jacobse-Katsuki环氧化） 烯烃用手性salen-锰络合物催化、次氯化物作用的不对称环氧化反应(AE)。
Jacobsen催化剂（S,S-构型）
反应最常用的氧化剂为亚碘酰苯（用于有机溶剂）或次氯酸钠水溶液（用于水 介质）。salen络合物是一个与氧化酶细胞色素P450有关的仿生试剂。由氧合锰中 间体向烯烃发生氧的转移。对映选择性的原因可用底物向活性的氧合锰(Ⅴ)中间体 的侧向接近来解释。一般salen络合物的 C-3 和 C-3' 位上有必要由占据较大空间 的叔丁基来取代以保证反应的高对映选择性。 它与早先开发的 Sharpless 环氧化反应的不同之处在于这个反应不依赖于烯 丙醇底物的识别，因此从原则上讲是一个更为通用的过程。 这个反应对于顺式二 取代烯烃最为有效，后来应用范围也拓展至反式二取代、三取代、某些单取代以及 四取代烯烃的环氧化中。
-Styrenes, a,b-unsat’d esters & vinyl arenes only work with acetamide & carbamate - Other egs where DHQ vs DHQD give regioisomers in similar ee of opposite stereoinduction!
R1HN
R4 R5
R2 R3
OSO3H
3）正碳离子过渡态
NH2 HNO2 OH
O
OH
这里，氨基重氮化后离去形成正离子。此外，四级胺等也是很好的离去基团：
NMe3
HNO2
OH
O
OH SMe2
HNO2 O Ph
Ph
OH
有两点值得关注： a：反应底物含有两个不同的杂原子时，产物以何杂原子为主？ b：产物的立体结构如何？
Review: McLeod et al, Perkin 1, 2002, 2733
AA – Standard Conditions?
Review: P. O’Brien, Angew. Int, 1999, 326
Competing Dihydroxylation
• First turnover of catalyse is AD • Can reduce AD with slow addition of substrate
该反应大约在1970年代开始得到系统研究， 80年代后日臻成熟。发明人Barry Sharpless于 2001年因此反应荣膺当年的诺贝尔化学奖。
2001年度诺贝尔化学奖授予了美国化学家诺尔 斯(W. S. knowles)、日本化学家野依良治(R. Noyori) 和美国化学家夏普雷斯(K. B. Sharpless)，以表彰他 们在手性催化氢化反应和手性催化氧化反应研究方面 做出的卓越贡献。瑞典皇家科学院指出：“这三位科 学家的发现对科学研究以及新药、新材料的发展产生 了极大的影响，并已在许多药物和其他生理活性化合 物的商业合成上得到了广泛的应用。”这三位科学家 获奖的意义还在于：他们的发明帮助人们在认识和改 造世界中建立了信心，提供了一种有力的工具，即可 以通过手性催化反应得到“手性”产物。
第一节 三元杂环化合物的合成 第二节 四元杂环化合物的合成 第三节 五元杂环化合物的合成
第一节 三元杂环化合物的合成
1. 一般合成形式
a)
A AH L
X
A L
L
A=杂原子；L=离去基团：如卤素、OSO3R等。 b)
D B + D B
B=C时；D=杂原子；B=杂原子时，D=亚甲基。
2. 分子内环化法（A法）
1）强碱催化
O HO Me H H Me OHபைடு நூலகம்Me H Me H
(+)反式
Br
SN2
H Me
O H Me
内消旋
工业上用这种方法经由Peremennit反应制取纺织、皮革的柔软剂：
O RNH2 + Cl OEt RHN O OEt H2NCH2CH2OH RHN O NHCH2CH2OH
O
在不同的条件下可以得到邻二醇、醛、酸或环氧乙烷等
a）Ag、Na、K、PtCl2[(PPh3)2、光…..
O O
b）过氧化物：RCO3H…..（Prilezkaev反应）
+ MeCO3H
O
c）H2O2、Vo(acac)、Mo(CO)6…..
O O
d）过氧化物、tBuOOH…..（Sharpless不对称环氧化） 该反应是以四价钛酸酯路易斯酸介导，以过氧化氢衍生物为氧化剂（常为 叔丁基过氧化氢），以酒石酸乙酯为立体诱导配体而进行的烯烃环氧化反应。
可能的机理：
通过使用不同旋光性的酒石酸乙酯（DET）即可改变产物的立体化学。 比如，倘使任一烯丙醇按下图方式摊平，则左旋酒石酸乙酯配体给出平面上氧 化产物，而右旋酒石酸乙酯给出平面下氧化产物：
通过该反应可以高立体选择性地获得含两个手性中心的环氧化物。环氧化物很活 泼，与亲核试剂反应开环后可以衍生出一系列含手性官能团的化合物。成为合成不对 称有机分子的重要手段之一。
O RHN N
2）酸催化
SH + OH Cl O Cl Py S O O Na2CO3
S
这里，如果直接制备则副反应多，产物组成复杂。Py=吡啶
SH HCl SH OH NaHCO3 S
最著名的是Gabriel-Werker氮杂环丙烷的合成，即β –胺基醇和硫酸后再 碱处理得到氮杂环丙烷的：
R1HN R4 R5 R2 R3 OH H R2 R3 R5 R1 N R4
Sharpless不对称环氧化的拓展
Sharpless Asymmetric Aminohydroxylation (AA)
Sharpless Asymmetric Aminohydroxylation (AA)
Sharpless et al. Angew. Int. 1997 438
AA –Mechanism
AA – Best Substrates
Cinnamates best using (DHQ)2PHAL (as drawn) (DHQ)2AQN (regioisomer)
a,b-unsat’d
(DHQ)2PHAL (as drawn) effect ligand unknown
AA – More Substrates
需要获得固定构型的产物时可以采用以下方法：
Me + HOCl Me OH Cl Me O
I + INCO I I
NCO
MeOH H N KOH I NHCO2Me
3. 双键插入法（B法）
1）杂原子插入双键是合成三元杂环化合物的最常用方法。 烯烃直接用氧氧化插入可以直接制备环氧乙烷，但产物难控制：
e）次氯化物氧化…..（Jacobse-Katsuki环氧化） 烯烃用手性salen-锰络合物催化、次氯化物作用的不对称环氧化反应(AE)。
Jacobsen催化剂（S,S-构型）
反应最常用的氧化剂为亚碘酰苯（用于有机溶剂）或次氯酸钠水溶液（用于水 介质）。salen络合物是一个与氧化酶细胞色素P450有关的仿生试剂。由氧合锰中 间体向烯烃发生氧的转移。对映选择性的原因可用底物向活性的氧合锰(Ⅴ)中间体 的侧向接近来解释。一般salen络合物的 C-3 和 C-3' 位上有必要由占据较大空间 的叔丁基来取代以保证反应的高对映选择性。 它与早先开发的 Sharpless 环氧化反应的不同之处在于这个反应不依赖于烯 丙醇底物的识别，因此从原则上讲是一个更为通用的过程。 这个反应对于顺式二 取代烯烃最为有效，后来应用范围也拓展至反式二取代、三取代、某些单取代以及 四取代烯烃的环氧化中。
-Styrenes, a,b-unsat’d esters & vinyl arenes only work with acetamide & carbamate - Other egs where DHQ vs DHQD give regioisomers in similar ee of opposite stereoinduction!
R1HN
R4 R5
R2 R3
OSO3H
3）正碳离子过渡态
NH2 HNO2 OH
O
OH
这里，氨基重氮化后离去形成正离子。此外，四级胺等也是很好的离去基团：
NMe3
HNO2
OH
O
OH SMe2
HNO2 O Ph
Ph
OH
有两点值得关注： a：反应底物含有两个不同的杂原子时，产物以何杂原子为主？ b：产物的立体结构如何？
Review: McLeod et al, Perkin 1, 2002, 2733
AA – Standard Conditions?
Review: P. O’Brien, Angew. Int, 1999, 326
Competing Dihydroxylation
• First turnover of catalyse is AD • Can reduce AD with slow addition of substrate
该反应大约在1970年代开始得到系统研究， 80年代后日臻成熟。发明人Barry Sharpless于 2001年因此反应荣膺当年的诺贝尔化学奖。
2001年度诺贝尔化学奖授予了美国化学家诺尔 斯(W. S. knowles)、日本化学家野依良治(R. Noyori) 和美国化学家夏普雷斯(K. B. Sharpless)，以表彰他 们在手性催化氢化反应和手性催化氧化反应研究方面 做出的卓越贡献。瑞典皇家科学院指出：“这三位科 学家的发现对科学研究以及新药、新材料的发展产生 了极大的影响，并已在许多药物和其他生理活性化合 物的商业合成上得到了广泛的应用。”这三位科学家 获奖的意义还在于：他们的发明帮助人们在认识和改 造世界中建立了信心，提供了一种有力的工具，即可 以通过手性催化反应得到“手性”产物。