溴与不同取代C＝C双键反应的机理和立体选择性

许家喜，麻远

1北京化工大学化学学院，北京 100029

2清华大学化学系，北京 100084

溴与C＝C双键的反应是有机化学中一类常见的基元反应。既存在于通过溴与烯烃加成来制备邻二溴代烷，也存在于酮和羧酸α-位溴化反应的机理中[1,2]。酮和羧酸的α-位溴化是先形成烯醇或者烯醇负离子，然后溴与烯醇或者烯醇负离子的C＝C双键反应实现的[1,2]。这两类反应虽然都包括溴对C＝C双键的反应，但是，前者是亲电加成先形成三元环溴正离子中间体，然后脂肪烯烃形成的中间体经过溴负离子亲核开环，得到立体专一的反式邻二溴代烷；芳基烯烃形成的中间体还会经过先开环形成芳甲位碳正离子，再与溴负离子结合，形成顺式和反式邻二溴代烷的混合物。而后者却是亲电取代形成质子化的α-溴代羰基化合物(酸性条件下)或者α-溴代酮(碱性条件下)。这种同一类型的基元反应，却经过不同的反应机理，常常是教学难点，令学生感到困惑。而现行的教材中都没有对二者的区别给出合理的解释，只是各讲各的机理，互不相干。化学反应的本质就是反应物轨道间的相互作用。为了解释这些问题，提高学生对有机化学反应机理的深入认识，我们在教学过程中，通过引入分子轨道解释反应机理[3-7]，来说明这两类机理的差别。既加深了学生对反应机理的理解，也提高了学生利用分子轨道相互作用解释有机反应选择性的能力。通过对这两类底物同一个基元反应的分析，给出了判断溴与C＝C双键反应机理和产物立体选择性的方法，便于教师讲授和学生理解。

1 溴与烯烃的亲电加成反应

溴对简单烯烃的亲电加成是极化后的溴分子与烯烃的C＝C双键经过三元环溴正离子中间体，然后溴负离子再对该三元环亲核开环来实现的。对于脂肪烯烃，该反应是立体专一的反式加成反应，如果C＝C双键上同一个碳原子上的取代基不同，就会生成一对对映异构体[1,2](图1)。

图1 溴与烯烃的亲电加成机理(a)及反应的分子轨道(b)

从分子轨道来看，反应过程中，溴对简单烯烃的亲电加成就是烯烃C＝C双键的π键(HOMO轨道)与溴分子的Br―Br反键轨道(σ*Br―Br，LUMO轨道)相互作用的结果。烯烃C＝C双键的π键是由两个波相相同的碳原子p轨道相互作用形成，其中间位置波相叠加，轨道系数最大，因此，溴分子的LUMO轨道就会与C＝C双键的π轨道中间重叠，这样可以实现轨道的最大重叠，最有利。因此，会形成三元环溴正离子中间体。所以，溴与简单烯烃的亲电加成反应都经过三元环溴正离子中间体。随后，溴负离子对三元环溴正离子中间体进行亲核开环，溴负离子(HOMO轨道)进攻三元环的C―Br反键轨道(σ*C―Br，LUMO轨道)，得到反式加成产物(图1)[3]。

与脂肪烯烃不同，芳基烯烃与溴的亲电加成不是立体专一的[8]。溴对芳基烯烃的亲电加成也是极化后的溴分子与烯烃的C＝C双键先形成三元环溴正离子中间体，溴负离子对部分三元环溴正离子亲核开环得到立体专一反式加成产物。但是，由于芳基对碳正离子的稳定作用，部分三元环溴正离子会发生开环形成芳甲位碳正离子，溴负离子可以从碳正离子的上下分别进攻碳正离子，分别得到顺式和反式加成产物。如果C＝C双键上同一个碳原子上的取代基不同，就会生成一对非对映异构体[1,2]。(Z)-1-苯基丙烯的顺式加成产物比(E)-1-苯基丙烯的高，是由于其形成碳正离子后C―C单键旋转，形成位阻小的苯基和甲基接近对位交叉构象的稳定碳正离子，然后再与溴负离子反应造成的(图2)。

从分子轨道来看，是芳基的HOMO轨道与芳甲位C―Br反键轨道(σ*C―Br，LUMO轨道)作用，导致三元环开环，形成稳定的芳甲基碳正离子。然后，溴负离子(HOMO轨道)从上下分别进攻碳正离子的空p轨道(LUMO轨道)，得到顺式和反式加成产物(图2)。

图2 溴与芳基烯烃的亲电加成(a)、机理(b)及反应的分子轨道(c)

2 酮和羧酸α-位溴化反应中的溴与C＝C双键反应

酮的α-位溴化反应是酮首先在酸或碱条件下生成烯醇或者烯醇负离子，然后极化后的溴分子与烯醇亲电取代形成质子化的α-溴代酮，与烯醇负离子亲电取代形成α-溴代酮，质子化的α-溴代酮进一步脱掉质子得到α-溴代酮(图3)[1,2]。

羧酸的α-位溴化反应，即Hell-Volhard-Zelinsky反应，通常是三溴化磷先把羧酸转化成酰溴，酰溴烯醇化，然后极化后的溴分子与生成的烯醇亲电取代形成质子化的α-溴代酰溴，再进一步与反应体系中的羧酸反应，形成质子化的混合酸酐，溴负离子与其反应后得到α-溴代羧酸，并形成新的酰溴。因此，该反应只需要催化量的三溴化磷和等量的溴就可以实现羧酸的α-位溴化(图3)[1,2]。酰氯和混合酸酐也可以发生与酰溴相似的α-位溴化反应。

图3 酮(a)和羧酸(b) α-位溴化的反应机理，共轭体系的分子轨道(c)及溴与烯醇C＝C键反应一步的分子轨道(d)

虽然溴与烯醇和烯醇负离子中C＝C双键的反应与溴和烯烃C＝C双键的反应是相似的基元反应，但是，溴与烯醇和烯醇负离子的反应都没有经历三元环溴正离子中间体。烯醇和烯醇负离子可以看成是羟基和氧负离子取代的烯烃，酰溴形成的烯醇是羟基和溴双取代的烯烃，为什么这些取代的烯烃与溴加成都没有经历三元环溴正离子中间体呢？仔细分析它们的共轭体系，我们会发现，与C＝C双键相连的氧原子的p轨道参与了与C＝C双键的共轭，形成了与烯丙基负离子相似的共轭体系(这里采用的是简化了的烯醇轨道示意图)。在该共轭体系中，ψ2是其HOMO轨道，溴分子的Br―Br反键轨道(σ*Br―Br，LUMO轨道)与共轭体系的HOMO轨道(ψ2)发生作用，溴的σ*Br―Br轨道只有与轨道系数大的烯醇β-碳原子上的p轨道重叠，才能实现最大的有效重叠，这两个轨道间的相互作用是不会形成三元环溴正离子中间体的(图2)[3]。这就是为什么在酮和羧酸α-位溴化中的溴与烯醇或烯醇负离子中C＝C双键的反应都不会经过三元环正离子中间体的原因。

3 溴与烯醇醚和烯胺的加成反应

烯醇醚是烃氧基取代的烯烃，与烯醇或者烯醇负离子的电子结构相似，也是共轭体系。因此，溴与烯醇醚亲电加成的机理应该与溴与烯醇或者烯醇负离子的C＝C双键的亲电加成机理相似。众所周知，溴与环己烯加成形成立体专一的反式-1,2-二溴环己烷。溴与环己烯的含氧类似物二氢吡喃反应时，的确没有得到专一的反式邻二溴加成产物，而是生成了反式和顺式-二溴加成产物的混合物。溴正离子先与二氢吡喃共轭体系的HOMO轨道反应，生成邻溴代的氧杂环己烯氧鎓离子，溴负离子进攻与氧鎓离子相连的不饱和碳原子，得到二溴代产物，由于溴负离子可以分别从C＝O双键的两侧进攻，因此得到反式-和顺式-二溴代混合物，并且，对于没有取代的二氢吡喃，位阻小的反式产物为主要加成产物(图4)。

图4 溴与二氢吡喃的亲电加成反应(a)及其机理(b)

对于取代的二氢吡喃，取代基的位置和构型明显影响产物的立体化学(图5)。(R)-2-取代二氢吡喃主要得到反式加成产物。因为(R)-2-取代二氢吡喃主要以其取代基处于平伏键的构象存在，其与溴加成，主要产物为反式产物。而少量的取代基处于直立键构象的原料生成的氧鎓盐中间体会发生构象转化，再与溴负离子反应，生成顺式产物为次要产物。因为溴负离子直接进攻氧鎓盐中间体时，溴负离子从取代基所在一侧接近，位阻较大。构象转化后，溴负离子从取代基的另一侧接近，位阻小，因此生成顺式产物[9](图5，反应5-1)。

烯糖也是含有取代基的二氢吡喃衍生物，其与溴加成得到的产物就是糖基供体，该反应是制备糖基供体的有效途径之一，在糖化学中得到广泛应用。溴与烯糖加成产物的立体选择性通常受其取代基的位置和构型的影响(图5，反应5-2和5-3)[10]。反应式5-2中的烯糖，2个取代基处于平伏键和1个取代基处于准平伏键的构象中，取代基彼此之间都是邻位交叉构象，三个较大的取代基为两组邻位交叉构象，因此，该构象式并不稳定；反而是在其构象转换体中，2个取代基处于直立键和1个取代基处于准直立键，取代基彼此之间均是对位交叉，只是与环上邻位碳原子上较小的亚甲基为邻位交叉构象，因此，该构象式比较稳定。其稳定的构象式与(R)-2-取代二氢吡喃取代基处于直立键的构象反应相似，因此，得到的主要产物为顺式加成产物。对于反应式5-3中的烯糖，由于三个取代基均为顺式关系，其两个半椅式构象转换体的能量差不多，因此，得到的反式和顺式产物的产率也就差别不大。

图5 溴与二氢吡喃衍生物的亲电加成反应

与烯醇醚相似，溴与烯胺的反应也不经过三元环溴正离子中间体，是极化后的溴分子中Brδ+加到烯胺的β-碳原子上，形成β-溴代亚胺盐中间体，该亚胺中间体水解得到β-溴代酮(图6)[11]。

图6 溴与烯胺的亲电取代反应

可以预测，卤代烯烃C＝C―X与溴的亲电反应也不会经过三元环溴正离子中间体，会形成带有Br―C―C＝X+结构的中间体，然后进一步与溴负离子反应得到BrC―CBrX类型的产物。

4 结语

虽然溴与烯烃的亲电加成反应和溴与酮及羧酸的α-位溴化反应中都包含溴与C＝C双键的基元反应，但由于简单烯烃的C＝C双键就是π键体系，而烯醇和烯醇负离子以及烯醇醚中的C＝C双键与相连氧原子的p轨道形成了C＝C―O共轭体系，这两类体系的HOMO轨道不同，导致了它们与溴发生亲电反应的机理不同。从以上分析可以看出，与烷基相连的C＝C键，只是作为π键体系与亲电试剂发生加成反应；而与含有孤对电子的杂原子相连的C＝C键，如烯醇衍生物、烯胺和卤代烯烃类化合物中的C＝C键，则作为共轭体系与亲电试剂发生反应。通过引入分子轨道解释反应机理，可以清楚地解释这两类底物中溴与C＝C双键反应的机理和立体选择性的差别。化学反应的本质就是轨道相互作用，在教学中加强分子轨道的应用，可以提高学生对有机化学反应机理的理解。