糖類化合物的端基效應

呂萍 王彥廣

(浙江大學化學系 浙江杭州 310027)

端基效應也叫異頭碳效應(anomeric effect)，是糖化學中常見的一種作用，而且是一類非常有趣和重要的立體化學現象。然而，由于端基效應與取代環己烷的優勢構象分析的結果相矛盾，從而導致這方面的知識成為基礎有機化學教學中的一個難點。為此，本文就端基效應的產生、理論解釋及相關應用等進行簡要介紹，以期為相關教學和學生自學提供幫助。

1 問題的提出

許多有機化學教材在描述單取代環己烷穩定構象時[1-3]，認為取代基處于平伏鍵(e鍵)的構象1是優勢構象，而構象2由于存在兩個1,3-直立鍵(a鍵)位阻(1,3-直立鍵的排斥力)為非優勢構象(圖1)。

圖1 單取代環己烷的兩種構象

1,3-直立鍵位阻的大小取決于基團的種類，如表1所示。根據ΔE=-RTlnK，其中ΔE是兩種構象(1和2)的能量差值，R是氣體常數(8.315J/(K·mol))，T是絕對溫度，我們可以求出平衡狀態時兩種構象(1和2)的百分比K，結果列于表1。可以看出，取代基的位阻越大，優勢構象(1)所占的份額也越大。當取代基為叔丁基時，99.99%的1-叔丁基環己烷以優勢構象(1)的形式存在，也就是說叔丁基處于直立鍵的概率僅為0.01%。

表1 1,3-直立鍵位阻及構象1和2在平衡狀態時的百分比

對于與環己烷結構相似的四氫吡喃環，這一規則仍然適合，即2-烷基四氫吡喃的優勢構象是3，而不是4(圖2)。

圖2 2-烷基四氫吡喃的兩種構象

對于葡萄糖而言，通過D-葡萄糖開鏈形式，β-D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖達到平衡，β-D-吡喃葡萄糖比較穩定，占62.6%；α-D-吡喃葡萄糖則較不穩定，占37.3%；開鏈形式僅占0.002%(圖3)。β-D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖互為非對映異構體。由于不同的手性來自于1號碳，故在糖化學中稱為端基異構體。

圖3 α-D-吡喃葡萄糖和β-D-吡喃葡萄糖構象

D-甘露糖是D-葡萄糖的C-2差向異構體，當它形成吡喃環時，人們發現α-D-吡喃甘露糖比β-D-吡喃甘露糖穩定，盡管α-D-吡喃甘露糖中有兩個羥基占據直立鍵，而β-D-吡喃甘露糖只有一個，但α-D-吡喃甘露糖還是占68%，為優勢構象(圖4)[5]。這一現象稱為糖的端基效應。

圖4 α-D-吡喃甘露糖和β-D-吡喃甘露糖構象

并非只有D-吡喃甘露糖具有端基效應。當人們用醇和質子酸處理β-D-吡喃葡萄糖時，得到兩種吡喃葡萄糖苷，即α-D-甲基吡喃葡萄糖苷和β-D-甲基吡喃葡萄糖苷(圖5)。有意思的是，α-D-甲基吡喃葡萄糖苷占66%，而β-D-甲基吡喃葡萄糖苷占33%，用醇和質子酸處理α-D-吡喃葡萄糖時得到相同結果。

圖5 D-甲基吡喃葡萄糖苷的形成

對于2-雜原子取代的D-吡喃葡萄糖，當端基上的取代基電負性增大時，端基效應更加明顯(圖6)。端基上的取代基由乙酰氧基改變為氯時，取代基占直立鍵構象的比例由86%增大到94%。

圖6 2-雜原子取代吡喃葡萄糖構象組成

糖的端基效應可以衍生到其他2-雜原子取代的六元環體系(圖7)，雜原子(X，Y)可以是氮、氧、硫、氟、氯、溴、碘。在兩種可能的構象(5和6)中，構象5為優勢構象。最常見的雜原子有硫、氧和氟。骨架如圖7中的7、8、9。

圖7 2-雜原子取代雜六元環的兩種構象

在一些開鏈體系中也發現了端基效應。含有Lp—X—C—Y鏈的化合物(Lp是X原子所帶的孤電子對)就屬于這種體系。例如，二甲氧基甲烷有兩種可能的構象，鄰位交叉式和全交叉式，以鄰位交叉式為主(圖8)。

圖8 二甲氧基甲烷的兩種構象

更有趣的是，端基效應不僅與分子結構有關，而且與溶劑的極性、溫度、濃度等因素有關。通常，溶劑極性越小，端基效應越強。與水相比，乙醇更能體現糖的端基效應。溫度越低，端基效應越強。如從冷水中結晶D-葡萄糖得到的是α-D-吡喃葡萄糖；而從熱水中結晶D-葡萄糖則得到β-D-吡喃葡萄糖。

為了探索端基效應與溶劑極性的關系，Lemieux等人[6]合成了4,4,5,5-四氘代-2-甲氧基四氫吡喃(圖9)，研究了該化合物在不同氘代溶劑中的氫譜，從而測定出甲氧基占直立鍵時構象(10)和甲氧基占平伏鍵時構象(11)的百分比(表2)。在四氯化碳中，該化合物的端基效應非常明顯(構象10占83%);而在水溶液中，兩種構象所占的比例差不多。

圖9 4,4,5,5-四氘代-2-甲氧基四氫吡喃的兩種構象

表2 兩種構象在不同氘代溶劑中的百分比

2 端基效應的解釋

從2-雜原子取代雜六元環(圖7)的Newman投影式(圖10)可以看出，構象5中存在兩個由鄰位交叉引起的排斥力，而構象6只有一個，由此知構象5存在較大的立體位阻。那么構象5的相對穩定性應該如何解釋？是否構象5中還存在其他的穩定化能？抑或是構象6中存在其他的排斥力(即去穩定化能)？

圖10 構象5和構象6的Newman投影式

2.1 靜電排斥力

最直接的解釋是靜電排斥力。如圖11所示，雖然構象5中存在兩個鄰位交叉所引起的立體位阻，但構象6中存在兩個由孤對電子鄰位交叉引起的靜電排斥[7]，這種靜電排斥和立體位阻共存于一個分子中，決定著分子的優勢構象。

圖11 構象5和構象6中的立體位阻和靜電排斥力競爭

2.2 偶極矩

端基效應可以用分子偶極矩進行解釋。圖12顯示了構象12和構象13中的3個C—O單鍵的偶極矩方向。在構象12中，偶極矩為相反的方向，電子云密度被整個體系分散并穩定；與構象13相比，構象12具有更小的分子偶極矩，在非極性溶劑中相對比較穩定，即：溶劑極性越小，端基效應越強。

圖12 構象12和構象13的偶極矩

2.3 分子軌道理論

在順-2,3-二氯-1,4-二氧六環(圖13)中，連有直立鍵氯的C—O鍵長為1.39?，連有平伏鍵氯的C—O鍵長為1.43?[8]，顯然，連有直立鍵氯的C—O鍵具有部分雙鍵的性質，而連有平伏鍵氯的C—O鍵是經典的C—O單鍵，前者比后者更穩定。連有氟的C—O也有這樣的特性，從圖13可以看出，連有直立鍵氟的C—O鍵鍵長(1.382?)比連有平伏鍵氟的C—O鍵鍵長(1.406?)短，而且處于直立鍵的C—F鍵鍵長(1.397?)比處于平伏鍵的C—F鍵鍵長(1.367?)長[9]。

圖13 連有直立鍵和平伏鍵雜原子的C—O鍵長比較

與連有平伏鍵氯的C—O相比，連有直立鍵氯的C—O鍵具有一定的穩定性，這是由于氧原子上的孤對電子可以反充到C—Cl的反鍵軌道，這種σ*-p超共軛效應使C—O鍵具有部分雙鍵的性質(圖14)，同時，C—X鍵的鍵長增長，這一假說稱為反式共平面孤對電子假說(antiperiplanar lone pair hypothesis,ALPH)。

圖14 ALPH假說示意圖

圖15 氘代三丁基錫和2-鹵代-四乙酰基-D-吡喃葡萄糖的反應

3 端基效應的應用

3.1 關于有機反應立體選擇性的合理解釋

1,9-二羥基-壬酮在酸催化下脫水成縮酮(圖16)[11-12]，該縮酮可以有4種立體異構體(14～17)。其中異構體14有兩個端基效應，異構體15和異構體17各有一個端基效應，異構體16沒有端基效應，產物以14為主。

圖16 端基效應對螺縮酮的選擇性控制

芳醛可與二烯發生氧雜Diels-Alder反應，生成的環己烯基硅醚分別在堿性和酸性條件下失去三甲基硅基，得到兩種不同的端基異構體產物(圖17)[13]。在堿性條件下，甲氧基親核進攻硅，離去的烯醇負離子發生質子交換生成產物，端基碳原子的手性保持不變。在酸性條件下，當烯基硅醚醇解時，縮醛通過開鏈轉化成更穩定的有端基效應的縮醛。

圖17 端基效應對烯基硅醚酸性水解的選擇性控制

分子內烯烴的氧鈀化反應受到端基效應的控制，生成的中間體用CO/甲醇體系捕獲，得到以α-端基異構體為主的產物，甲氧基和氫為順式。作為對比，當甲氧基改為甲基時，在相同的反應條件下，端基效應不可能存在，因此得到的產物沒有非對映選擇性(圖18)[14]。

圖18 端基效應對氧鈀化反應的選擇性控制

3.2 應用于有機合成

端基效應控制著產物的立體化學，在有機合成，尤其是全合成領域發揮著重要的作用。如spirastrellolide A的合成，合成的關鍵是中間體螺縮酮(18)的立體選擇性合成。Hsung等巧妙地運用了端基效應，控制了烯烴復分解反應的立體化學[15]，合成了有效中間體18(圖19)。

圖19 端基效應對螺縮酮形成的選擇性控制

另一個有效控制螺縮酮立體選擇性合成的例子也是通過端基效應實現的[16]。對化合物19實施Pauson-Khand環加成，得到產物20，結構中帶兩個端基效應，兩個氫成反式；當對化合物21實施Pauson-Khand環加成時，為了滿足產物22有兩個端基效應，兩個氫成順式，此時乙酰氧基(OAc)在直立鍵上，產物20和22的結構均經過單晶衍射得以證明(圖20)。

圖20 端基效應對Pauson-Khand環加成的選擇性控制

當用R基團(甲基或乙基)代替氫時，端基效應依然存在，如化合物23和25經Pauson-Khand環加成得到立體選擇性產物24和26。

圖21 端基效應對Pauson-Khand環加成的選擇性控制

化合物22中的乙酰氧基(OAc)占據直立鍵，當乙酰氧基(OAc)分別用三乙基硅基(TES)、叔丁基二苯基硅基(TBS)和叔丁基二苯基硅基(TBDPS)代替時(圖22)，隨著立體位阻增大，預期的產物28的比例逐漸變小；當取代基是OTBDPS時，以反式的產物29為主，結構中的兩個C—O單鍵均為直立鍵，沒有端基效應，即端基效應被空間效應所克服。

圖22 空間效應對Pauson-Khand環加成的選擇性控制

4 結論

端基效應是一種很有趣的立體化學現象，雖然不符合取代環己烷的穩定構象的一般規律，但在糖化學中比較常見，而且在有機合成中已得到廣泛應用，特別是已被成功地用于不少有機反應的立體選擇性控制。用靜電排斥作用、偶極矩作用以及分子軌道理論能夠從不同的角度對端基效應做出合理的解釋。相信本文所介紹的端基效應現象有助于豐富基礎有機化學中立體化學、碳水化合物化學等方面的教學內容。

參 考 文 獻

[1] 王彥廣,呂萍,張殊佳,等.有機化學.第2版,北京:化學工業出版社,2009

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[3] 邢其毅,裴偉偉,徐瑞秋,等.有機化學.第3版.北京:高等教育出版社,2006

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