烯烃羟汞化反应机理的探讨

肖佳 聂晶 杨琦武 郑艳 张文勤

(天津大学化学系 天津 300072)

羟汞化-脱汞是由烯烃合成醇的有效途径之一[1]。羟汞化反应主要分为两个阶段：① 烯烃在含水的四氢呋喃溶液中与乙酸汞发生羟汞化；② 羟汞化产物不经分离,直接加入NaBH4进行还原脱汞。该反应具有条件温和(一般在室温进行)、速度快(一般第一阶段只需要几分钟,第二阶段需要1 小时)、中间产物不需分离、区域选择性好(Markovnikov 取向)、无重排产物等优点。因此,尽管汞是公认最毒的金属元素,但由于羟汞化反应的诸多优点,该反应仍被广泛用于有机合成[2-3]。

以丙烯加乙酸汞为例,目前比较公认的羟汞化反应机理[4-5]见图1。

图1 丙烯羟汞化反应的机理

其中第二步和第三步最为关键,但是目前国内外多数有机化学教材都没有明确指出反应的速控步是哪一步[6-10],部分教材甚至把羟汞化过程归类为亲电加成反应[8-10]。我们对此产生疑问,整个反应的速控步究竟是汞离子亲电加成的第二步,还是水亲核进攻的第三步？

下面根据软硬酸碱理论、元素电负性等有机化学基础知识以及量子化学计算结果对各步反应分析如下：

(1) 第一步,乙酸汞发生电离产生乙酰氧基汞正离子。我们认为该带有正电荷的汞离子的生成是必要的。最新的研究[11]证明氯化汞能够催化芳基烯基醚的羟汞化反应。加入氯化钠等含有氯离子的无机盐能够抑制上述反应,而加入硝酸银可以促进上述反应。因为氯离子是软碱,额外增加的氯离子能够和汞离子络合生成[HgCl4]2-,抑制了+HgCl 的生成,进而抑制了羟汞化。而加入硝酸银,使银离子和氯离子结合,则可以促进+HgCl的生成,进而促进羟汞化反应。

对于不同的汞盐,根据软硬酸碱理论可以判断其电离的难易。越容易电离的汞盐,活性越高。不同汞化合物应该具有如下的活性顺序：Hg(OOCCF3)2>Hg(OOCCH3)2>HgCl2>HgBr2>HgI2。因为Hg2+是软酸,CF3COO-是最硬的碱,I-是最软的碱。所以Hg(OOCCF3)2最容易电离,HgI2则是“软亲软”,不易电离,活性最低。实验结果表明Hg(OOCCF3)2对4-己烯-1-醇分子内氧汞化速度比Hg(OOCCH3)2快,而且产物不同[12]。

(2) 第二步,乙酰氧基汞正离子与烯烃的碳碳双键发生亲电加成生成汞鎓离子。从软硬酸碱理论分析,烯键的π电子为软碱,汞离子为软酸,“软亲软”,该基元反应应该属于快反应。从电负性考虑,汞的电负性为1.9,略小于碳的2.55[13],这使正电荷主要集中在汞上而不是碳上。这一点与溴鎓离子截然不同,后者正电荷主要集中在碳原子上。所以,相比溴鎓离子,汞鎓离子不易受到水的亲核进攻。

我们用量子化学手段计算得出乙烯、丙烯、异丁烯与乙酰氧基汞正离子加成生成的汞鎓离子中间体以及乙烯的溴鎓离子的结构与APT电荷(atomic polar tensor-based charges)[14]分布(图2)(本文量化计算均采用Gaussian03 软件包,分子构型在RB3LYP 水平下进行优化,其中C、O 使用6-31G*基组,H 使用6-31G**基组,Hg 和Br 使用赝势基组(Lanl2DZ,其中对Br 加上极化函数(极化参数为0.389);对所有优化的结构进行频率计算,以确认所有结构均是稳定结构(驻点是极小值,没有虚频))。

图2 乙烯、丙烯、异丁烯与乙酰氧基汞正离子加成生成的汞鎓离子中间体的结构 与Hg、C1、C2上的APT净电荷以及乙烯的溴鎓离子的APT 净电荷 Hg上净电荷为乙酰氧基和Hg原子上的APT电荷加和, C2上净电荷为C2与C2相连的甲基上所有APT电荷加和, C1 上净电荷为C1和与之相连的两个氢原子APT电荷加和

图3 叔丁基乙烯的汞鎓离子和叔丁基乙烯的溴鎓离子的甲基重排前后的结构变化示意图

从以上计算结果可得出结论：① 上述汞鎓离子中,乙酰氧基与汞原子是双齿配位的,两个O—Hg 键长几乎等长,都在2.30Å左右。② 汞原子上总是带有最多的正电荷。③ 在丙烯等不对称烯烃的汞鎓离子中,由于甲基的供电诱导效应,C2上正电荷多于C1,在异丁烯的汞鎓离子中这一差异更加明显。从乙烯到丙烯到异丁烯,Hg—C1 键逐渐变短,从2.602Å变为2.478Å,再到2.419Å。而Hg—C2 键逐渐变长,在异丁烯的汞鎓离子中，Hg—C2键最长,达到2.876Å。这都预示着第三步水亲核进攻的位置在C2上,即Markovnikov取向。④ 在异丁烯的汞鎓离子中，C2上带有最多的正电荷,可以预期其与水的亲核加成速度要比丙烯或乙烯的汞鎓离子更快,这一结论与实验结果一致[15]:2-甲基-2-丁烯的羟汞化在10s内完成,而环己烯需要55s。⑤ 与电负性分析结果一致,与乙烯的乙酸汞鎓离子不同,在乙烯的溴鎓离子中，正电荷主要集中在碳原子上,溴原子上正电荷很少,这表明汞鎓离子与溴鎓离子有着本质的不同。

众所周知,羟汞化反应通常不会发生重排,这正是由于汞鎓离子中间体的正电荷主要集中在汞上而不是碳上的具体体现。因为涉及鎓离子的碳上正电荷较少,临近α位的烃基或氢原子不易发生迁移。我们分别计算了叔丁基乙烯的汞鎓离子和溴鎓离子甲基重排前后的能量变化,结果如图3所示。从量子化学计算的结果也可以看出,在叔丁基乙烯汞鎓离子中，C2上的正电荷仅为0.4858e,而且甲基重排后所得到的叔碳正离子中间体的吉布斯自由能比重排前升高了77.78kJ/mol;而叔丁基乙烯的溴鎓离子中C2上正电荷高达0.8574e,非常有利于甲基迁移,而且发生类似重排后产物的吉布斯自由能比重排前降低了45.19kJ/mol。因此叔丁基乙烯的汞鎓离子的重排在热力学上是极其不利的,不易重排。而叔丁基乙烯与溴的亲电加成生成的溴鎓离子容易重排。事实上,许多烯烃,如:莰烯[16]、降冰片烯[17]和苯并二环[2.2.2]-2,5-辛二烯[18]与溴的亲电加成都发生了重排。

(3) 第三步,水作为亲核试剂进攻汞鎓离子。在该步中,水分子中的氧原子是硬碱,而带有部分正电荷的碳原子是软酸。由于碳上的正电荷较少,水的亲核性又弱,此类弱亲核试剂的亲核进攻就变得更加困难。由此推断,该步基元反应才应该是整个反应的慢步骤,即整个羟汞化反应的速控步。通过查阅文献[19],这一结论得到了有力支持。例如：2-甲基-1-己烯的羟汞化反应速度比1-己烯快10倍,比四甲基乙烯的羟汞化速度快833 倍。上述实验结果与相应汞鎓离子中C2上的正电荷多少有关(图4)。2-甲基-1-己烯的汞鎓离子中C2上的正电荷最大(0.6632e),羟汞化最快;而四甲基乙烯的类似物相应碳原子上的正电荷最少,羟汞化最慢。如果汞鎓离子生成的一步是速控步，含有4 个供电甲基的四甲基乙烯与乙酸汞离子形成汞鎓离子进而得到羟汞化中间体应该是上述3个烯烃中最快的，然而实验事实正好相反。这反过来证明汞鎓离子生成的一步不是整个羟汞化反应的速控步。另外,对于含多个双键的烯烃,羟汞化优先发生在最不对称的双键上,即1,1-二取代优于1,1,2-三取代,单取代优于1,2-二取代[20],反应速度与汞鎓离子中取代最多的碳原子上的正电荷密度成正比,也进一步说明水亲核进攻的一步是整个反应的速控步。

图4 2-甲基-1-己烯、1-己烯、四甲基乙烯的汞鎓离子的分子结构图与主要原子的APT净电荷

(4) 第四步是中间产物Ⅱ快速失去质子的过程,不再赘述。

图5 乙炔在汞离子催化下的水合机理

图6 羟乙基乙酸汞、羟乙烯基乙酸汞和甲酰甲基乙酸汞的分子结构与主要原子的APT净电荷

本文从有机化学基本概念、基本理论出发,结合量子化学计算结果,对烯烃的羟汞化机理进行了分析,得出该反应的速控步是水分子亲核进攻汞鎓离子的一步,整个反应属亲核加成。同时指出,烯烃羟汞化产物中的碳汞键极性小,不能直接水解为碳氢键,故需要硼氢化钠还原; 而炔烃羟汞化产物中的碳汞键极性较大,在反应过程中可以直接水解转化为碳氢键。

参 考 文 献

[1] Brown H C,Geoghegan P J.JOrgChem,1970,35(6):1844

[2] Mohapatra D K,Naidu P R,Reddy D S,etal.EurJOrgChem,2010,32:6263

[3] Bonini C,Campaniello M,Chiummiento L,etal.Tetrahedron,2008,64:8766

[4] Solomons T W G,Fryhle C B.Organic Chemistry.10th ed.John Wiley & Sons,Inc,2011

[5] Bruice P Y.Organic Chemistry.4th ed.John Wiley & Sons,Inc,2006

[6] 古练权,汪波,黄志纾,等.有机化学.北京:高等教育出版社,2008

[7] 胡宏纹.有机化学.第3版.北京:高等教育出版社,2006

[8] 高鸿宾.有机化学.第4版.北京:高等教育出版社,2005

[9] Vollhardt K P C,Schore N E.Organic Chemistry Structure and Function.5th ed.New York:W.H.Freeman & Company,2005

[10] Brown W H,Foote C S.Organic Chemistry.3rd ed.Harcourt College Publishers,2002

[11] Ando S,Koide K.JAmChemSoc,2011,133:2556

[12] Nishizawa M,Kashima T,Sakakibara M,etal.Heterocycles,2001,54(2):629

[13] Dean J A.兰氏化学手册.第2版.魏俊发译.北京:科学出版社,2003

[14] Åstrand P O,Ruud K,Mikkelsen K V,etal.JPhysChemA,1998,102:7686

[15] Brown H C,Geoghegan P J.JOrgChem,1970,35(6):1844

[16] Wolinsky J.JOrgChem,1961,26:704

[17] Kwart H,Kaplan L.JAmChemSoc,1964,76:4072

[18] Essiz S,Sengul M E,Sahin E,etal.Chem,2011,35:587

[19] Vardhan H B,Bach R D.JOrgChem,1992,57(18):4948

[20] Einhorn J,Einhorn C,Luche J L.JOrgChem,1989,54(19):4479

[21] Pritchard H O,Skinner H A.ChemRev,1955,55:745