科普| 中國化學奧林匹克（二）

發(fā)布時間：2020年04月20日 來源：中國化學會

科學的世界豐富多彩，或許大家對其中的奧秘還沒有深刻的認知，但是化學的奇妙世界，卻是一眼就能讓人覺得那是一個很有意思的世界。也許很多人從小就開始對這個世界充滿疑惑，化學的奇妙世界到底是什么原理呢？世界很精彩，化學世界尤其精彩。

當然，化學世界的豐富多彩，還體現(xiàn)在化學的理論原理中。在上一期中，給大家留了一道2018年7月在斯洛伐克布拉迪斯拉發(fā)和捷克布拉格舉辦的第50屆國際化學奧林匹克競賽理論題第7題―西多福韋。不知道大家對這道有機合成化學推斷題分析得怎么樣了呢？下面就跟我一起來詳細分析下這道題吧。

 

7-1 畫出化合物A–D的結構式，包括立體化學。一個A分子產生兩個B分子。

7-2 畫出化合物3的所有其他異構體的結構式——這些異構體可用于相同的反應過程，僅生成相同的產物2。

二醇2可以進一步修飾并轉化為化合物1。用于將化合物F轉化為G的磷酸酯4的合成將在后面討論。

 

7-3 畫出化合物E–I的結構式，包括立體化學。用縮寫MMT表示4-甲氧基苯基二苯基甲基（(4-methoxyphenyl)diphenylmethyl）基團。

磷酸酯4可以通過以下合成路線制備：

 

7-4 畫出化合物J–L的結構式。

化合物I（來自題目7.3 ）與胞嘧啶（5）反應得到一種異構體M 和N 的比例為3:1 的混合物。這兩種產物的形成可以理解為，胞嘧啶（5）也可異構化為具有芳香性的互變異構體P，因而產生兩種產物。M與1,4-環(huán)己二烯及氫氧化鈀/碳反應生成化合物O。化合物O 中的磷酸酯部分進一步與三甲基溴硅烷反應生成西多福韋（1）。

 

7-5 畫出兩個異構體M和N以及化合物O的結構式，包括立體化學；畫出胞嘧啶（5）的具有芳香性的互變異構體P的結構式。M至O的轉變過程是去保護基團。

7-6 畫出Q（來自環(huán)己二烯）和R（來自保護基）的結構式，它們是M到O的轉化過程中生成的兩個簡單的有機副產物。

題目解析：

由L-甘露糖醇（3）到分子2，這顯然是一個保護端位兩個–OH的反應。酮或醛在脫水劑作用下易與具有適當空間的1，3-二醇羥基或鄰二醇羥基生成環(huán)狀的縮醛或縮酮。常用脫水劑是無水氯化鋅、無水硫酸銅等 可以利用縮醛、縮酮反應作為某些羥基保護劑。

高碘酸（H₅IO₅）、偏高碘酸鉀（KIO₄）以及偏高碘酸鈉（NaIO₄）的水溶液可以使1,2-二醇或鄰二醇的碳碳鍵斷裂，醇羥基轉化成相應的醛、酮，并且可以定量反應。因此根據(jù)高碘酸根離子的消耗量可以推測多元醇中所含鄰羥基的數(shù)目。

另外，根據(jù)羰基化合物，可以用氫化金屬化合物還原成–OH，最常用的是氫化鋁鋰和硼氫化鈉。氫化鋁鋰能產生氫負離子，并與羰基碳原子結合，形成醇鹽，經水解可以得醇。另外，氫化鋁鋰在水中會分解，在醚類溶劑中穩(wěn)定，因此反應溶劑一般在醚類溶劑中進行。硼氫化鈉的還原反應機理和氫化鋁鋰相同，反應產生的BH₄^–是唯一進攻試劑，但是反應活性不如氫化鋁鋰。同時，反應必須在質子溶劑中進行，在水/醇中具有一定的穩(wěn)定性，特別在堿性條件下比較穩(wěn)定，因此常用醇溶液作為反應溶劑。

Willianmson（威廉森）合成方法：NaH是有機合成中用途很廣泛的強堿，Et₃N也是一種有機堿，但是反應活性低于NaH。它可以奪取醇–OH的質子而生成相應的醇鈉化合物，RONa。這被常用于制備醚類化合物，包括對稱醚類和不對稱醚類化合物。

反應機理：RONa+R¹X→ROR¹+NaX

R¹X中常用鹵代烷烴，同時磺酸酯或者硫酸酯也常用于該反應。例如：

 

根據(jù)以上分析，我們可以推測出7-1以及7-3的化學反應方程式。

 

7-1反應方程式

 

7-3 反應方程式

根據(jù)磷酸酯4的化學結構式，可以推斷出前一步反應為Willianmson反應，則L為醇類化合物。前一步在乙醇鈉作用下同樣經行Willianmson反應，然后在酸性條件下發(fā)生酯類的水解反應，最終生成醇。

 

7-4化學反應方程式

嘧啶環(huán)可以用1,3-二羰基化合物與尿素發(fā)生縮合反應得到。其化學反應方程式如下：

 

嘧啶酮可以發(fā)生互變異構體。根據(jù)題目中提示的同分異構體具有芳香性，因此，我們可以得知胞嘧啶的另一同分異構體結構為醇式，但是平衡主要存在酮式一邊。即酮式構型分子可以較為穩(wěn)定的存在。在堿性條件下可以發(fā)生如下反應：

 

根據(jù)最終產物西多福韋（1）的分子式，對比以上胞嘧啶的衍生物可知，后續(xù)反應式應該為醚類中C-O鍵斷裂的過程。Pd(OH)₂/C為有機合成反應中常見催化劑，主要起催化加氫作用：烯烴加氫、還原苯甲酸、醛氧化成酸、酚還原成環(huán)己酮以及氧芐基苯脫芐基等。同時分子M中存在氧芐基苯。因而在Pd(OH)₂/C催化作用下可以發(fā)生一下反應：

 

因此，根據(jù)以上分析，我們可以依次得出各個化合物的分子式。到這里，這道國家化學奧林匹競賽理論題全部推斷出來了。可以看出，要是沒有扎實的有機合成反應機理的基礎，是很難全部解答出來的。

 

（來源：化學通訊微信公眾號，閔陽/撰稿）