【原】立方烷——你真的了解吗？

 立方烷，以其形似立方体而得名，它具有高对称性和高能量，在有机化学领域占据着举足轻重的地位。

Klunder在1972年发表文章称，找到了一种合成立方烷类骨架的方法。由于立方烷具有极高的环张力（主要是角张力的影响），因此在热力学上，形成立方烷环系是极其不利的——这一点在后面会具体阐述。我们从较容易得到的底物（l-bromo-homocubanone-4-carboxylic
acid）出发，骨架采用具有五元桥环的酮，以便通过Favorskii重排反应，构建具有高张力的立方烷骨架。[1]
     底物是五环缩酮，使用75%的硫酸脱去保护，重排采用50%氢氧化钾溶液，总产率可以达到10%，而采用脱保护的酮，则可以达到25%的产率。想要得到溴取代的立方烷，只需要用液溴-氧化汞体系处理，即可得到脱羧溴代的立方烷。    

另一种得到立方烷醇的方法是采用甲基锂产生酮，经过Baeyer-Villager氧化并水解，得到叔醇衍生物。氨基衍生物的制备可以用羧酸先用氯甲酸乙酯转化为酰氯，和叠氮钠作用，经历Curtius重排（条件是苯溶剂回流加热），产生的异氰酸酯水解就得到相应的胺。
     1975年，Klunder又发文章，阐述了这种立方烷的衍生物在酸性和碱性条件下，发生开环的多种反应。[2]
     如果要从简单的底物出发，形成这样的环骨架，最容易想到的就是Diels-Alder反应了。以环戊烯酮做底物，经历自由基溴代（反应的区域选择性来自于反应的条件),在三乙胺条件下消除之后得到2-溴环戊二酮，这是非常好的Diels-Alder反应底物，随即二聚，得到三环体系。         在接下来的步骤里，我们希望将分子的两个羰基区分开，因此使用保护基策略——乙二醇在酸催化下，发生脱水，形成缩酮。反应的官能团是桥羰基，另外一个羰基由于受烯基电子云的斥力和电子云的1，3-斥力，没有受到保护。光照条件下，发生碳碳双键的[2+2]环加成反应，初步完成了环系的构建。
     接下来，我们需要对环结构添加张力，大多数情况下，这一过程是热力学不利的，可以采用耦合的办法，例如Favorskii重排反应。在浓氢氧化钾溶液中，重排形成了三个新的四元环。反应后，羧基经过后处理，和亚硫酰氯反应，酰氯和过氧叔丁醇成酯，热裂解后变成烃类，产物中的氢原子来自溶剂分子的活泼氢。     如法炮制，脱去另一个羰基的保护基，经历重排、酯化和脱羧，就可以得到目标产物立方烷（cubane）。

以立方烷作为底物，还可以重排形成多种多样的环结构，例如，在四氟合硼酸银诱导下，立方烷重排为环辛二烯和其他桥环化合物。

        为了向立方烷引入官能团，可以利用其高对称性，最常用的方法是自由基取代。采用的自由基引发剂是过氧叔丁醚，叔丁氧基自由基夺取一个氢原子，对于Td对称性的立方烷是等价的立方烷自由基随即从叔丁氧基碘中得到一个碘原子，同时完成链传递。

    气相条件下，立方烷很容易发生自发的热重排，从而产生环辛四烯及其衍生物：

    各个物种的比例如下：

    反应机理首先是碳碳键的均裂，其次是自由基重排开环，继而发生电环化开环。

    接下来我们来看立方烷的结构，我们通常认为立方烷具有正方体的形状，但是，2017年发表的一篇文章进行立方烷的计算与分子模拟，结果显示，立方烷化学键电子云密度最高的地方，完全偏离了预期的中心。下面的图片引入虚拟原子，表示化学键电子云密度最高的地方：

    对立方烷羧酸进行适当的处理还可以得到八硝基立方烷，反应机理较为简单，在此不做过多叙述。