羰基的立体选择性加成判断模型在有机化学里属于非常重要的一个部分。探讨并了解这个问题会让我们能够通过非量化的手段,去经验化或者半经验化得获得产物预测结果。很显然,有很多这类的模型是成功的。这部分工作最开始于唐纳德.J.Cram教授,他首先带领团队对羰基加成的产物数据进行了分析,并且提出了预测用的模型。即我们熟知的Cram模型I,II。这两个模型,就前者而言是最为著名的。这个模型的核心观点是位组问题。首先把羰基与相连烷基固定成重叠构象,把体积最大的RL放到最下端与羰基所连的另外一个R重叠,然后亲核试剂会在RS角度进攻。这个模型如下所示
这也被叫做Cram规则。而第二个规则就是因为羰基β位存在能产生氢键集团诸如OH以及-NH2等,这个模型让这类集团与羰基共平面,在通过另外两个集团的体积大小决定亲核试剂进攻方向。 虽然对于普通的羰基亲核加成而言,Cram规则I,II是足够的,但是由于缺少考虑电子因素和立体电子因素。Cram规则是存在较大缺陷的。 因而,在今天的合成分析里,有机化学家们更多的采用的是Felkin-Ahn模型,Cieplak模型,以及Cornforth模型等全新的模型,这些模型都有各自的侧重点,但是每一种模型都不能在所有情况下适用。 在开始这个话题之前,我们需要了解分子力学的基础知识。(因为几乎所有的新模型都会涉及立体电子效应)分子力学(molecular mechanics)是用来分析分子或者过渡态的构象与能量的一门学科。通过分子力学分析,我们能够合理有效的找到能量最低的构象结构。而为了方便分析,引起分子张力的因素也被仔细研究并分类过。通过如下方程我们就可以看出有四个主要因素决定着构象能量的高低。 E(strain)=E(r)+E(θ)+E(ξ)+E(d) Estrain就是总的张力,而后面四个系数分别都是一组方程的解。E(r)是键的伸缩张力,他的表达公式可以使用物理学中的胡克方程:E(r)=1/2kr(r-r0),kr相应的,就是键的伸缩力度常数,而r,r0分别是实际键长和理想键长(或正常键长)。E(θ)就是键角张力,这个是我们熟知的,比如环丙烷的张力就要高于环己烷,这是由于小环的键角小于理想角度引起的分子能量增加。这个系数的表达方式也可以使用胡克定理。E(θ)=1/2kθ(Δθ)。第三个系数E(ξ)是基础有机没怎么强调过的旋转张力。以乙烷为例,由于存在C-H成键轨道与对面的C-H反键轨道的超共轭,这个C-C键并非能够自由旋转的,经过计算,以乙烷为代表的经典烷基C-C单键都存在旋转阻力,这个能磊约为2.9kcal/mol。而如我们所知,基础有机给出过的乙烷构想的势能图,它是成三倍周期性的,所以可以用余弦公式表达,E(ζ)=V0(1+cos3ξ)。ζ是旋转角度,V0就是我们之前所说的2.9kcal/mol的旋转能磊。而E(d)则是比较重要但是却最难判断的一个数值,就是非键作用。这也是我们在后来的羰基亲核加成模型中需要注意的一个问题。这里存在的主要成分是范德华力与静电效应。以气相中的1,2二卤乙烷构象为例,当卤素为Br,Cl时,由与较为显著的超共轭效应影响(即旋转张力角度),这二人均已对交叉构象为最稳定,至于为何这二者的超共轭要比相应的F代物稳定,我在后面会详细介绍。此外,这与静电力稳定化体系的结果是一致的,但是对于Cl而言,其范德华半径比对和邻交叉构象时两个CL距离要小,所以这里存在一定的色散力相互吸引,这是一个不利因素。而对于F来说,由于超共轭效果不如前两者,而色散力又很大,在气相里,以邻交叉构像为主。
接下来我们就可以去合理得分析羰基亲核加成的模型了。一,Felkin-Ahn模型在Cram之后,人们越来越重视立体电子效应而非仅仅考虑位组因素。化学家们(包括我们这些学徒)擅长判断位组因素,但是每每遇到立体电子效应时就容易得到错误的判断。Felkin-Ahn模型比Cram复杂点。这个模型如下所示
这模型的核心观点仍然是位组,但是多了一个考虑因素:超共轭效应。Felikin认为在过渡态中超共轭起到了稳定化体系的作用,而这个超共轭来自于新产生的C--Nu sigma键与最大集团RL的C-RL的sigma反键重叠作用。可是,在这个模型提出的初期,人们没有注意到所谓的Dunitz-Burgi角度,就是羰基π键与亲核试剂作用时,实际角度为107度,而不是90度。而这个模型提出的一个初衷也是为了改变一个Cram模型的一个缺陷--他是重叠构象的产物,这与分子力学的旋转张力因素有冲突,所以才提出了这个最初的交叉构象的模型。
可惜的是,这个模型最开始提出的邻交叉构想是不准确的---至少,从超共轭的角度而言,这个构想为超共轭建立的重叠度太差了。
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