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Springer|有机化学中的立体效应与立体电子效应

 ChemAurum 2021-11-28

    立体效应和立体电子效应是有机化学中非常常见的效应,它涉及到立体化学、反应速率等多种过程,因此理解立体效应和立体电子效应是非常重要的。

    在最简单的乙烷构象中,我们了解到交叉式成为最稳定构象的原因是交叉式使得两根C-H键之间的范德瓦尔斯斥力最小,并且超共轭效应也能够稳定交叉式构象。

    在丁烷的构象中,这个情况稍微复杂一些,由于乙烷具有C3对称性(在特殊构象还存在D3h对称性),讨论的情况更少一些,丁烷中不仅仅有C-H和C-H的范德瓦尔斯斥力,还存在着甲基与C-H的范德瓦尔斯斥力。除了能量最低的对位交叉式,还有能量仅高了0.9kcal的邻位交叉式,值得注意的是,在某些反应中过渡态不能使用对位交叉时可以采用邻位交叉的结构。

    基于这种斥力,我们能够近似估计反式-1,2-环己烷的这两种优势构象之间的能量差异是2.7 kcal/mol:

    而基于立体电子效应,可以解释很多反应的选择性,例如,在E2消除中反应高度立体专一,是因为离去基团和氢必须处于反式共平面的构象:

    立体电子效应的另一个典型体现是异头效应,只有在特定的构象中,氧原子的孤对电子才能和C-O键的σ*轨道处于反式共平面的位置,因此在缩醛的九种构象中,拥有两个以上异头效应的构象更稳定些。

    忽略较小的结构差异,能够基于已知的异头效应的能量数据估算未知构象的能量差异,如果只考虑异头效应的话,化合物162和163的能量估计如下:

    立体电子效应还体现在碎片化反应中,只有胺的孤对电子与断裂的化学键平行时,才会出现碎片化,否则反应无法发生。

    在六元环中,由于能够控制取代基的立体构型,从而很适合研究这种立体电子效应。

    而通过化合物208和化合物211的差别可以看出,虽然只有一个立体中心的差别,足以产生碎片化反应和E2消除两种截然不同的机理。

    对于含有C-Si,C-Ge,C-Sn,C-Hg键的化合物,还会出现反叠效应(Antiperiplanar Effects),即能够在邻位存在碳正离子时发生消除。立体电子效应在某些反应中引起的速率差异可达10^10之多。

     在羰基化合物的亲核加成中,最广为人知的就是Cram规则了,即认为羰基位阻较大,与α-碳上的最大取代基处于对位交叉式,亲核试剂从最小取代基一侧进攻。

    Cram规则也有其显著的缺点:在亲核进攻后,产物处于一个全重叠式构象,因此在能量上相当高,并且将最大基团和R基团放在全重叠式也是不合理的。

    Anh–Felkin模型在Cram规则的基础上给出了一个更完善的模型:

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