反式3,6-二溴環(huán)己烯的合成及其立體結(jié)構(gòu)

時(shí)恩學(xué)， 肖軍華， 裴承新

(防化研究院 第四研究所，北京 102205)

Ziegler等[1]首次報(bào)道了N-溴代琥珀酰亞胺(NBS)進(jìn)行烯丙位溴化反應(yīng)的方法，因其簡單高效，且溴代產(chǎn)物反應(yīng)活性好，因而被廣泛使用，業(yè)已成為目前最為常用的烯烴α-位的鹵化反應(yīng)方法[2]。

環(huán)己烯具有雙烯丙反應(yīng)位點(diǎn)，相應(yīng)的單溴代和雙溴代產(chǎn)物[3,6-二溴環(huán)己烯(1)和3-溴環(huán)己烯(2)]是一類重要的有機(jī)合成中間體[3]，其在立體結(jié)構(gòu)的分析研究方面也具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[4]。關(guān)于1的合成方法文獻(xiàn)報(bào)道不多，其trans-1的立體選擇性合成的報(bào)道則更少。從文獻(xiàn)報(bào)道來看，無論是使用溴還是NBS，環(huán)己烯的α-溴化取代反應(yīng)易生成混合物。

Dauben等[5]首次詳細(xì)研究了環(huán)己烯與NBS的反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)無論是過氧化物還是光催化，反應(yīng)均得到了三種化合物：1， 2和1,2-二溴環(huán)己烷(4)。 2為主要反應(yīng)產(chǎn)物，1含量在10%左右，含4量很少；但在無催化條件下，延長反應(yīng)時(shí)間，2含量逐漸降低，4含量則明顯增加，1含量基本不變。Sen等[6]首次成功以環(huán)己烯與NBS反應(yīng)合成了1，但對(duì)產(chǎn)物的立體結(jié)構(gòu)未予分析確定，從其產(chǎn)物的PMR結(jié)果看，很可能是順反混合物。McMillen等[7]以環(huán)己烯與溴反應(yīng)，得到了與Dauben等相似的結(jié)論。Han等[8]研究了以二氯甲烷和四氯化碳等比例混合溶劑中，環(huán)己烯與溴的反應(yīng)情況，在不同溫度條件下得到了3,4-二溴環(huán)己烯,trans-1和cis-1的混合物。

作為常壓合成1,4-二氨甲基環(huán)己烷的關(guān)鍵中間體[9]， 1的制備方法，尤其是立體結(jié)構(gòu)問題引起了我們的注意，因而進(jìn)行了詳細(xì)地研究，并取得了比較理想的結(jié)果。本文報(bào)道一種新的立體選擇性合成trans-1的簡易方法(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，13C NMR, GC-MS及H-H COSY表征。

Scheme1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Varian Unity 500型核型共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Finnigan Mat TSQ 70型質(zhì)譜儀；Varian CP-3800型氣相色譜儀。

所用試劑均為國產(chǎn)化學(xué)純；四氯化碳經(jīng)氫化鈣干燥處理。

1．2 1的合成

在反應(yīng)瓶中加入四氯化碳30 mL，環(huán)己烯1.64 g(20 mmol)及NBS 7.48 g(42 mmol)，攪拌下回流反應(yīng)30 min(體系從黃色漸變至無色)。冷卻至室溫，過濾，濾液分別用飽和亞硫酸氫鈉溶液(3×10 mL)和水(3×10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥12 h。蒸除溶劑后用適量的二氯甲烷重結(jié)晶(48 h)得無色針狀晶體1 2.3 g，收率49%， m.p.108 ℃；1H NMRδ： 5.99(d,J=2.5 Hz, 2H), 4.90(s, 2H), 2.47(dt,J=11.3 Hz, 1.5 Hz, 2H), 2.16(d,J=9．0 Hz, 2H)；13C NMRδ： 130.30, 45.74, 27.70; EI-MSm/z(%)： 240[M+1, 1]， 161(26) 159(32)， 80(22)， 79(100)， 77(37)， 51(10)， 39(6)。

2 結(jié)果與討論

2．1 反應(yīng)條件對(duì)溴化反應(yīng)的影響

在烯丙位的溴化反應(yīng)中最為常用的溴化劑是NBS，主要原因有兩個(gè):一是NBS在反應(yīng)過程中，可以維持溴自由基在一個(gè)相對(duì)非常低的濃度，避免鹵素與烯烴發(fā)生加成副反應(yīng)；二是NBS可以作為縛酸劑，能將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的溴化氫及時(shí)捕獲[11]。

以NBS為溴化劑,CCl4為溶劑，其余反應(yīng)條件同1．2，研究了加料順序、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間對(duì)溴化反應(yīng)的影響，結(jié)果表明，反應(yīng)主要生成了三種化合物(Scheme 1)。各因素對(duì)溴化反應(yīng)的影響結(jié)果見表1。從表1反應(yīng)可見，加料順序、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)于反應(yīng)產(chǎn)物的組成都有明顯的影響。對(duì)于加料順序，先加NBS，再滴加環(huán)己烯的方式易導(dǎo)致單溴代產(chǎn)物的生成，這可能主要是由于環(huán)己烯烯丙位的反應(yīng)活性高于中間產(chǎn)物3-溴環(huán)己烯未取代的烯丙位，兩者反應(yīng)活性差別約為2.2 ∶1．0[7]。直接混合反應(yīng)方式有利于環(huán)己烯的兩個(gè)烯丙位同時(shí)反應(yīng)，故而其二溴產(chǎn)物含量更高。

對(duì)于反應(yīng)溫度，由于自由基的產(chǎn)生和C-H的均裂均需較高能量，所以反應(yīng)溫度一般需采用回流的方式；對(duì)于反應(yīng)時(shí)間，宜控制在0.5 h～1.0 h，時(shí)間太短反應(yīng)不完全，過長則易導(dǎo)致三溴代副產(chǎn)物等化合物的生成。

表1 反應(yīng)條件對(duì)溴化反應(yīng)的影響*Table 1 Effect of reaction conditions on bromination

*A．先加NBS后滴環(huán)己烯； B．同時(shí)加入所有原料；其余反應(yīng)條件同1．2

綜上所述，合成1的最佳反應(yīng)條件為：環(huán)己烯、NBS和四氯化碳直接混合后，加熱回流0.5 h，收率49%。從文獻(xiàn)報(bào)道來看，反應(yīng)一般生成順反混合產(chǎn)物，但本文所得產(chǎn)品主要為trans-1(以下將重點(diǎn)討論),是一種非常簡單易行的立體選擇性的合成方法。

2.2 1的立體結(jié)構(gòu)分析

與環(huán)己烷不同，環(huán)己烯的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象是C2對(duì)稱的半椅式(twisted)結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)角為(30±2)°[11]，半椅式構(gòu)象可經(jīng)過船式(bent)構(gòu)象翻轉(zhuǎn)為另一半椅式構(gòu)象，翻轉(zhuǎn)能壘約為10 kcal·mol-1[12]。 1分子中有兩個(gè)溴原子，存在順式和反式兩種構(gòu)型，因反式構(gòu)型中兩個(gè)較大的溴原子可以處于能量相對(duì)較低的假平伏鍵(pseudoequatorial,pe)位置，所以整個(gè)分子能量低于順式構(gòu)型(Chart 1)。

Chart 1

合成的1經(jīng)GC/MS分析后發(fā)現(xiàn)GC圖譜呈現(xiàn)為3個(gè)吸收峰(T8.479, T8.866及T8.955)。仔細(xì)分辨3個(gè)吸收峰的質(zhì)譜圖，可發(fā)現(xiàn)其碎裂規(guī)律幾乎完全一樣，均為二溴代產(chǎn)物。最初推測(cè)認(rèn)為可能是由于反應(yīng)生成了順反兩種異構(gòu)體，3個(gè)吸收峰是這種混合物的表現(xiàn)。然而，1的1H NMR和13C NMR譜圖分析結(jié)果表明，產(chǎn)品為一純品，根據(jù)化學(xué)位移和耦合常數(shù)與文獻(xiàn)[9]相比后發(fā)現(xiàn)，1H NMR和13C NMR譜圖中，無論是化學(xué)位移還是耦合常數(shù)都與文獻(xiàn)反式產(chǎn)物的相關(guān)數(shù)據(jù)非常吻合，而與文獻(xiàn)順式產(chǎn)物的相關(guān)數(shù)據(jù)差別明顯，因此可以說，本文所得產(chǎn)品即為反式3,6-二溴環(huán)己烯，即trans-1。那么，GC譜圖中的T8.479, T8.866應(yīng)該是trans-1的構(gòu)型異構(gòu)體，而T8.955則很可能是cis-1。由于溴原子的引入導(dǎo)致trans-1的翻轉(zhuǎn)能壘大大增加，因而在色譜上其構(gòu)象異構(gòu)體呈現(xiàn)為雙峰。

δ圖1 trans-1的H-H COSY譜圖Figure 1 H-H COSY spectrum of trans-1

3 結(jié)論

以環(huán)己烯為原料，NBS為溴化試劑，在四氯化碳中回流反應(yīng)30 min，立體選擇性的合成了反式3,6-二溴環(huán)己烯。對(duì)產(chǎn)物的1H NMR，13C NMR， GC-MS和H-H COSY譜圖的綜合分析，確定了產(chǎn)物的構(gòu)型，并對(duì)相關(guān)構(gòu)象進(jìn)行了分析討論。

本文成功的合成了3,6-二溴環(huán)己烯的反式異構(gòu)產(chǎn)物，但其順式異構(gòu)體的選擇性合成無疑具有更大的挑戰(zhàn)性，相關(guān)構(gòu)象分析也有繼續(xù)深入研究的必要和價(jià)值，這些都將在我們今后對(duì)二氨甲基環(huán)己烷類化合物的合成中得到體現(xiàn)。

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