硫-氟的鄰位交叉效應(yīng)

李懿倫，余意，袁耀鋒，葉克印

福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，福州 350108

1 前言

立體化學(xué)是有機(jī)化學(xué)十分重要的一個(gè)組成部分[1]。通過基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)，我們知道乙烷分子的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象是一個(gè)全交叉式構(gòu)象(圖1a)。其中，乙烷分子兩個(gè)碳原子上的氫原子距離最遠(yuǎn)，分子處于這種構(gòu)象時(shí)最穩(wěn)定。類似的，正丁烷由于兩個(gè)甲基取代基間的位阻相互排斥作用，其最優(yōu)構(gòu)象是兩個(gè)甲基處于對(duì)交叉位置(圖1b)。因此，我們似乎可以得出這樣一個(gè)結(jié)論——分子中兩個(gè)會(huì)形成較大排斥的取代基總是傾向處于距離最遠(yuǎn)的位置，形成一個(gè)對(duì)位交叉的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。

然而，1,2-二氟乙烷與乙烷分子的情況截然不同。1,2-二氟乙烷中，兩個(gè)可能會(huì)造成電荷排斥的氟原子并不處于對(duì)位，而是選擇了一個(gè)鄰交叉構(gòu)象(圖1c)。1,2-二氟乙烷的這種鄰交叉構(gòu)象看似違反常識(shí)，但卻可以很好地用立體電子效應(yīng)進(jìn)行解釋。立體電子效應(yīng)作為超共軛效應(yīng)概念的延伸，可以解釋有機(jī)化學(xué)中很多的“反常”現(xiàn)象[2]，包括糖化學(xué)中的異頭碳效應(yīng)(anomeric effect)、米氏酸的反常酸性[3]等。近期的計(jì)算化學(xué)研究表明，乙烷鄰位交叉構(gòu)象為優(yōu)勢(shì)構(gòu)象也與C-H鍵的超共軛效應(yīng)有著密切的關(guān)系[4-6]。在1,2-二氟乙烷中，氟原子的強(qiáng)電負(fù)性(3.98)使得C-F鍵被強(qiáng)烈極化，進(jìn)而導(dǎo)致C-F鍵的反鍵軌道能量顯著地下降，最終使得C-H鍵成鍵軌道對(duì)其的超共軛效應(yīng)顯著增強(qiáng)(圖1d)。在1,2-二氟乙烷的鄰位交叉優(yōu)勢(shì)構(gòu)象中，兩根C-F鍵都能受到其對(duì)位的C-H鍵超共軛的強(qiáng)穩(wěn)定化作用。這類使分子鄰位交叉構(gòu)象(gauche conformation)優(yōu)于對(duì)交叉構(gòu)象(anti conformation)的作用稱為鄰位交叉效應(yīng)(gauche effect)。

圖1 取代基對(duì)烷烴優(yōu)勢(shì)構(gòu)象的影響

實(shí)際上，有關(guān)鄰位交叉效應(yīng)的研究早在20世紀(jì)中期就有所報(bào)道[7]。1955年，Edward教授[8]在吡喃糖的研究中發(fā)現(xiàn)了異頭碳效應(yīng)。1,2-二氟乙烷的鄰位交叉優(yōu)勢(shì)構(gòu)象的發(fā)現(xiàn)，則開啟了含氟鄰位交叉效應(yīng)研究發(fā)展的新篇章。在此之后，更多的第二周期非金屬元素與氟的鄰位交叉效應(yīng)(包括氟-氮、氟-氧等)相繼被研究報(bào)道。2015年，Gilmour教授課題組[9]有關(guān)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的研究，將雜原子與氟的鄰位交叉效應(yīng)拓展到第三周期的硫元素，進(jìn)而促進(jìn)了硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的研究。本文基于Gilmour教授課題組近期的相關(guān)研究，對(duì)于硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的研究進(jìn)行簡(jiǎn)要的回顧和討論。我們希望通過基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)和最新科研成果的有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)化學(xué)相關(guān)專業(yè)的本科生拓展知識(shí)面，培養(yǎng)他們理論聯(lián)系實(shí)際、分析問題和解決問題的能力。

2 硫-氟的鄰位交叉效應(yīng)

2.1 硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的研究

2015年，德國(guó)明斯特大學(xué)的Gilmour教授課題組[9]對(duì)氟硫醚化合物1 (圖2)的晶體數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)CCS的二面角為?62.07°，接近鄰位交叉構(gòu)象的標(biāo)準(zhǔn)二面角(60°)。與此同時(shí)，該分子中C-H鍵和C-F鍵處于反式共平面(φHCCF= 179°)，存在明顯的超共軛作用。晶體學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明，分子中的兩根C-S鍵有著不同的鍵長(zhǎng)，C4-S鍵比C1-S鍵長(zhǎng)2.7 pm，這可能與C5-C6鍵成鍵軌道對(duì)C4-S鍵反鍵軌道的超共軛效應(yīng)以及硫與C4位上大位阻基團(tuán)的排斥有關(guān)。同時(shí)，通過NMR對(duì)溶液中相應(yīng)底物的構(gòu)象分析也表明，相應(yīng)分子在液相中也具有明顯的鄰位效應(yīng)(化合物1、2和3鄰位交叉構(gòu)象占比分別為81.3%，94.7%，92.3%)。

圖2 環(huán)狀硫-氟化合物的鄰位交叉效應(yīng)

通常來說，與碳原子相連的雜原子(X)電負(fù)性越強(qiáng)時(shí)，該C-X鍵的極性越強(qiáng)，從而使得C-X鍵反鍵軌道能量大幅度降低，進(jìn)而增強(qiáng)相鄰成鍵軌道對(duì)其的超共軛作用。這一規(guī)律在硫-氟鄰位交叉效應(yīng)中也得到了明顯的體現(xiàn)。將硫醚底物選擇性氧化成亞砜(S＝O，化合物2)和砜(SO2，化合物3)后，相應(yīng)的C4-S鍵與C1-S鍵的鍵長(zhǎng)差值明顯增大(鍵長(zhǎng)差值分別為3.9 pm，5.4 pm)。因此，隨著硫原子上的電正性增強(qiáng)，硫-氟的鄰位交叉效應(yīng)更加明顯。

進(jìn)一步的DFT計(jì)算結(jié)果表明(圖3)，化合物4的對(duì)交叉構(gòu)象比鄰位交叉構(gòu)象穩(wěn)定(能量差為0.7 kJ·mol?1)。將硫原子上的取代基由甲基換成對(duì)硝基苯基時(shí)(化合物5)，隨著硫原子上的正電性增加，鄰交叉構(gòu)象開始成為優(yōu)勢(shì)構(gòu)象(能量差為0.1 kJ·mol?1)。將化合物4中硫原子上的取代基替換為多種具有不同電子效應(yīng)的取代基，作者進(jìn)一步考查了相應(yīng)的線性自由能關(guān)系[10]。對(duì)于硫醚和砜類底物，鄰位交叉構(gòu)象占比基本與取代基吸電子能力呈正相關(guān)(回歸系數(shù)分別為0.83，0.80)。但對(duì)于亞砜類底物，鄰位交叉構(gòu)象占比與取代基吸電子能力不存在明顯的正相關(guān)(回歸系數(shù)僅為0.26)，這可能與亞砜自身較大的偶極對(duì)分子構(gòu)象的影響有關(guān)。這些結(jié)果表明，硫-氟的鄰位交叉效應(yīng)是包括超共軛效應(yīng)、偶極作用、靜電作用等多種復(fù)雜因素相互作用共同導(dǎo)致的結(jié)果。

圖3 取代基對(duì)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的影響

2.2 通過過渡金屬配位調(diào)控鄰位交叉效應(yīng)

基于上述討論可知，提高硫原子的電正性[11]，可以顯著增強(qiáng)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)。與過渡金屬配位是提高硫原子電正性有效的方法之一。因此，研究人員選取了環(huán)狀硫醚底物，考查其在與金、銀等金屬配位后鄰位交叉構(gòu)象占比的變化。核磁數(shù)據(jù)表明(圖4)，化合物6和化合物7在溶液中鄰位交叉構(gòu)象的占比分別為90.3%和98%，顯著高于未與過渡金屬配位前該硫化合物的鄰位交叉構(gòu)象占比(81.3%)。這些結(jié)果表明，通過配位方法提高硫原子的正電性的策略，可以實(shí)現(xiàn)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的選擇性調(diào)控。基于以上研究，我們猜想如果通過硫醚質(zhì)子化的方式來提高硫原子的電正性(化合物8)，理論上也能夠增強(qiáng)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)。雖然該設(shè)想尚未得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以預(yù)見的是通過調(diào)節(jié)硫原子的電正性增強(qiáng)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的策略將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域?qū)?huì)有更廣泛的應(yīng)用。

圖4 硫的配位對(duì)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的影響

2.3 含氟鄰位交叉效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用

氟的鄰位交叉效應(yīng)在有機(jī)催化、生物分子設(shè)計(jì)、材料化學(xué)等諸多領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景[9]。例如，Gilmour教授課題組[12,13]巧妙地利用了氟的鄰位交叉效應(yīng)對(duì)Jφrgensen-Hayashi催化劑進(jìn)行了修飾。通過在手性胺催化劑中引入氟原子，實(shí)現(xiàn)了肉桂醛類底物的高立體選擇性環(huán)氧化反應(yīng)(圖5)。在催化劑的篩選過程中，他們發(fā)現(xiàn)將氟原子替換為氫、苯基等取代基時(shí)，產(chǎn)物的對(duì)映選擇性控制均大幅降低。作者推測(cè)，氟的鄰位交叉效應(yīng)以及苯環(huán)與烯胺的π-π堆積效應(yīng)，使催化劑中的苯環(huán)停留在烯胺上方從而阻礙了親核試劑從烯胺上方的進(jìn)攻，進(jìn)而大幅度提高了反應(yīng)的立體選擇性。

圖5 鄰位交叉效應(yīng)在不對(duì)稱催化中的應(yīng)用

近期，本課題組基于電化學(xué)合成手段實(shí)現(xiàn)了烯烴的高選擇性氟-硫醚、氟-亞砜化反應(yīng)[14]，該方法為硫-氟鄰位交叉效應(yīng)的研究對(duì)象——不同氧化態(tài)的鄰位硫-氟類化合物提供了一種便捷的合成手段。對(duì)相應(yīng)產(chǎn)物的單晶數(shù)據(jù)分析表明，與氟-硫醚產(chǎn)物(化合物9)相比，氟-亞砜產(chǎn)物(化合物10)能夠觀測(cè)到明顯的硫-氟鄰位交叉效應(yīng)(圖6)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與提高硫原子的電正性可以顯著增強(qiáng)硫-氟鄰位效應(yīng)的結(jié)論是一致的。

圖6 電化學(xué)合成在硫-氟鄰位交叉效應(yīng)研究中的應(yīng)用

3 結(jié)語

作為立體電子效應(yīng)的重要組成部分，硫-氟鄰位交叉效應(yīng)為許多有機(jī)化學(xué)中看似反常的立體化學(xué)現(xiàn)象提供了良好的解釋。隨著理論化學(xué)與計(jì)算化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)硫-氟的鄰位交叉效應(yīng)的研究必將得到進(jìn)一步的拓展，進(jìn)而促進(jìn)硫-氟鄰位交叉效應(yīng)在相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。