α-羰基环十二酮的酮-烯醇互变异构中的构象效应Conformational

1、2005 年第 25 卷有机化学Vol. 25, 2005第 10 期 , 12791282Chinese Journal of Organic ChemistryNo. 10, 12791282·研究简报·-羰基环十二酮的酮- 烯醇互变异构中的构象效应杨晓亮 a,b,?王明安 a梁晓梅 a王小芳 c尤田耙 b王道全 * ,a(a中国农业大学应用化学系北京 100094)(b中国科学技术大学化学系合肥 230026)(c 北京大学医学中心药学院北京 100083)摘要 利用1H NMR 技术研究了 -羰基环十二酮的酮 - 烯醇互变异构 . 结果表明 , 取代基、温度和溶剂对

2、互变异构的影响与已知的规律一致, 但是烯醇的含量与相应的-羰基环己酮相比要低得多 , 利用构象效应对其进行了合理的解释.关键词 酮 - 烯醇互变异构 ; -羰基环十二酮 ;构象效应Conformational Effect on the Keto-enol Tautomerism of-CarbonylcyclododecanonesYANG, Xiao-Liang a,b,?WANG,Ming-An aLIANG,Xiao-Mei aWANG,Xiao-Fang cYOU, Tian-BabWANG,* ,aDao-Quan(a Department of Applied Chemistry

3、 , China Agricultural University , Beijing 100094 )(b Department of Chemistry , University of Science and Technology , Hefei 230026)(c School of Pharmaceutical Science, Peking University , Beijing 100083 )AbstractThe keto-enol tautomerism of-carbonylcyclododecanones has been studied by means of1HNMR

4、 technology. The result shows that the effects of substituent, temperature and solvent on the tautomer-ism agreed with the known rules, while their enol contents were much lower than those of the corresponding-carbonylcyclohexanones, which is illustrated reasonably by the conformational effect.Keywo

5、rdsketo-enol tautomerism; -carbonylcyclododecanone; conformational effect1,3- 二羰基化合物由于其分子中亚甲基的活泼性成能与酮羰基形成氢键的溶剂将使烯醇含量降低,而非极为有机合成的重要中间体, 这些分子的一个重要特征是性溶剂则使烯醇含量增高.然而对于大环酮衍生物的存在酮 - 烯醇互变异构 . 前人1酮 - 烯醇互变异构却鲜有报道,更缺乏系统的研究.近曾对各种开链的和普通环的 1,3-二羰基化合物的酮- 烯醇互变异构进行过系统年来 , 大环化合物的研究受到人们越来越多的重视,其研究 , 对于分子的结构以及温度、溶剂等对这

6、种互变异中易得的石油化工产品环十二酮及其衍生物是合成其构的影响已有充分的了解, 得到如下一些结论: (1)烯醇它大环化合物 (十二元环以上)的重要中间体 , 研究它们式可因分子内氢键的形成而稳定; (2) 环状化合物有利于的性质特征具有重要意义. 本文报道了 4个具有代表性烯醇式的形成 , 因为由酮式转化为烯醇式时, 环的张力的 - 羰基取代环十二酮(1 4) 的酮 - 烯醇互变异构变化较小 ; (3) 立体障碍的存在, 例如 2-位取代基的存在 ,(Scheme 1). 选择烯醇含量适中的2 和 3研究不同性质不利于烯醇的形成 ; (4)溶剂对烯醇的含量有重要影响,溶剂对它们的烯醇化的影响,

7、 选择沸点较高的溶剂* E-mail: wangdqReceived November 11, 2004; revised March 22, 2004; accepted April 19, 2005.国家自然科学基金 (No. 20072053)资助项目 . ? 现在南京大学化学系工作 .1280有机 化 学Vol. 25, 2005DMSO 研究它们的温度效应 , 以及利用分子力学计算方酮式中-质子的积分值计算得到, 重复三次取平均值 .法计算 1 4 的烯醇式和酮式优势构象的能量及能量差,化合物1 4在 CDCl 3 中 , 20时的烯醇含量及其相关并与文献报道的相应的环已酮衍生物5

8、8 (Scheme 1)数据列于表1 中. 化合物 2,3 在不同温度下 , DMSO 中进行比较 . 对于 -羰基环十二酮烯醇化程度低得多的原的烯醇含量列于表2中 , 化合物 2, 3 在不同溶剂中 , 20因 , 我们提出用构象效应来解释.时的烯醇含量列于表3中. 表1及表 2 均附有部分化合物 5 8 的数据 , 以资比较 .表1 化合物18在 CDCl 3 中 20 下的烯醇式含量及其部分1H NMR 的化学位移Table 1 The enol content and the selected chemical shifts ofcompounds 1 8 in CDCl 3 at 2

9、0 Scheme 11 实验部分1.1化合物的合成化合物 1 和 3 由前文 2的方法制备, 化合物2 和 4由前文 3 的方法制备. 它们的结构均经元素分析, IR,1H NMR 和 13C NMR 确证 .1.2酮式和烯醇式含量的测定采用 1H NMR法 . Brucker DPX 300 MHz超导核磁共振仪 , 氘代溶剂为Cambridge Isotope Laboratary产品 .每个样品与选定溶剂配制成浓度为0.1 mol?L 1 的溶液 ,在设定温度下达到平衡后 (约 1 h), 记录其 1H NMR 谱 . 酮式和烯醇式的含量由烯醇式中羟基质子的积分值和Compd. Enol

10、-form/%Compd. Enol-form/%OH-H186.515.253.73598a215.917.023.826100a32.612.923.74780a, 59.1b40.317.064.4883.0ca Ref. 4, determined by 1H NMR method in DMSO-d6 at 40 ; b Ref. 5,determined by titration with Brc2 in C 2H 5OH;Ref. 1b, determined by titra-tion with Br 2 in CH 3OH.1.3分子力学计算采用 SYBYL6.6分子力学计算

11、软件, Tripos 力场及Gasteiger-Huckel 原子电荷在MIPS-IRIX 6.5工作站上计算 1 4 的烯醇式与酮式的能量及能量差 . 计算时酮式的构象取 -边外取代 3333-2- 酮 2 , 烯醇式取 1 烯 2333 6 .作为对照 , 在相同条件下计算了相应环己酮衍生物58 的烯醇式和酮式的能量及能量差, 烯醇式取半椅式构象 , 酮式取 -直立取代椅式构象 . 所有计算结果列于表 4 中 .表 2化合物 2,3及6中不同温度下的烯醇含量以及化合物2, 3 烯醇羟基的化学位移H)5, 6, 7 在 DMSO- d(Table 2 The enol content of

12、compounds 2, 3 and 5, 6, 7 and chemical shifts ( H ) of enol hydroxy group of compounds2, 3 in DMSO- d6at different temperatureCompd.Enol-fom/% ( H)20 40 60 80 100 120231.0 (17.07)28.9 (16.94)24.6 (16.85)13.3 (16.73)7.6 (16.63)37.3 (12.95)5.8 (12.89)5.5 (12.83)5.1 (12.78)4.2 (12.71)54989694641009080

13、74807865表3 化合物 2,3 在不同溶剂中 20 时的烯醇含量以及烯醇羟基的化学位移H )(Table 3The enol content and chemical shifts H of enol hydroxy group for compounds2 and 3 in different solvents at 20 Compd.Enol-fom/% ( H)CDCl 3 CO(CD3)2 DMSO-d6C6 D6 MeOD215.9 (17.02)12.0 (17.14)31.0 (17.07)30.1 (17.85)032.6 (12.92)3.0 (13.05)7.3 (1

14、2.98)5.1 (13.72)1.2 (7.84)No.10杨晓亮等： -羰基环十二酮的酮- 烯醇互变异构中的构象效应1281表 4 1化合物 18 酮式及烯醇式优势构象的能量 (kJ?mol )Table 4 The erergy (kJ?mol1) of the preferred conformation of keto-form and enol-form for compounds 18Compd. Keto-formEnol-form? E1 32.25246.30414.0522 27.04450.59223.5483 27.66851.50823.8404 47.59475.

15、98628.3925 6.6360.4987.1346 14.713 6.5288.1857 14.876 4.43410.4428 1.49919.71721.2162 结果与讨论2.1化合物 1 4 酮 - 烯醇互变异构的一般规律2.1.1取代基的影响表 1 显示烯醇含量按 1 2 3 4 的顺序降低 , 与它们的取代基的吸电子效应的降低顺序一致 , 与其取代基体积的增大顺序正好相反 .2.1.2 温度的影响表 2 显示 , 随着温度的升高 , 烯醇含量降低 . 这是因为温度的升高 , 分子的振动加剧 , 烯醇形成分子内氢键的能力减弱 , 烯醇氢化学位移向高场移动的现象也映证了 H 键的减

16、弱 , 稳定烯醇的因素 (氢键 )的减弱 , 自然烯醇含量降低 .十二元环构象中能量最高的构象7 . 也就是说 , -羰基环十二酮的酮式处于能量最低状态, 烯醇化后虽然有分子内氢键的形成 , 能量上仍处于不利的地位, 如 Eq.1所示 .环已酮的优势构象为椅式, 取代基通常占据平键位置 , 但是对于 -羰基环已酮而言 , 当取代基占据平键位置时 , 由于共平面 , 取代基 ( 羰基 )与环上羰基有很强的偶极 - 偶极相互作用 , 致使取代基占据直键位置成为优势构象 8 . 为了验证这一结论 , 我们采用分子力学方法计算了5 8 酮式中取代基取直键和平键时构象的能量差 , 计算结果分别为 0.2

17、01, 3.969, 5.752,和 4.547 kJ/mol, 表明除 5 外 , 6 8 均以取代基占据直键位置的椅式构象为优势构象 , 对于 5, 基本上是两种椅式构象共存 . 烯醇化后所得的二取代环已烯其优势构象为半椅式 , 如 Eq. 2 所示 . 也就是说 , -羰基环已酮其酮式的构象处于能量较高的状态 , 而烯醇化后构象变化不大 , 再加上分子内氢键的形成 , 因此在多数情况下 , 烯醇式的能量低于酮式 , 在酮 - 烯醇互变异构中烯醇式成为主要存在形式 .2.1.3溶剂的影响溶剂对烯醇含量的影响也与前人总结的一般规律一致 . 表 3 显示 , 在能与酮羰基形成氢键的溶剂甲醇中,

18、烯醇的含量极低, 甚至为零 , 其化学位移的数值也表明,无分子内氢键的形成 . 而在非极性溶剂苯和偶极溶剂 DMSO 中烯醇的含量最高 .上述结果表明, -羰基环十二酮的酮- 烯醇互变异构的取代基效应, 温度效应和溶剂效应与已知的规律一致 . 然而与相应的 -羰基环已酮 (5 8)相比 , 尽管它们都是环状化合物 , 取代模式相同 , 前者烯醇化程度却低得多 . 显然 , 还存在着其它影响酮- 烯醇互变异构的因素 .2.2构象效应-羰基环十二酮 (1 4)和 -羰基环已酮 (5 8)虽然有相同的取代模式 , 但是从构象的角度去观察可以发现它们的酮式和烯醇式的构象却处于各自构象系列的不同位置上

19、.已有的研究表明, - 羰基环十二酮的环骨架为3333, 取代基取边外向位是其最优构象 2 , 而烯醇式(二取代环十二烯 )环骨架的优势构象则为 1 烯 23336 , 是分子力学计算的结果 (表4)支持上述分析并与实验结果一致 . 几个环十二酮衍生物的烯醇化前后的能量差(? E)比几个环己酮的能量差大7 15 kJ/mol,表明前者烯醇化的难度较大, 其中环己酮衍生物5 7和环十二酮衍生物 1 烯醇化前后的能量差较小, 易于发生烯醇化 ,化合物 1 较易烯醇化显然与其取代基(CHO) 非常强的吸电子效应有关 , 但不及化合物5. 环十二酮衍生物2 4和环己酮衍生物8 烯醇化前后的能量差均较大

20、而不易发生烯醇化 , 其中化合物 4 和 8烯醇化程度很低可能与苯环的存在导致苯环电子与烯醇双健电子间较大的排斥作用致使烯醇式能量升高有关, 但仍然是环己酮衍生物 8 的烯醇含量高于环十二酮衍生物4 的烯醇含量 . 因此如果取代基不是非常强的吸电子基团(如 CHO),则烯醇式的含量远远低于酮式的含量, 与相应的 -羰基环已酮相比 , 其烯醇式含量总是要低得多. 上述由于不同构象差异引起的酮- 烯醇互变异构有所不同的现象 ,可以称之 为酮 - 烯醇互变异构中的构象效应. 这种构象效应1282有 机 化学Vol. 25, 2005还可 解释 为什么 这类大环化合物的反应性低于普通环 ,原因在于构象

21、效应的存在, 大环化合物生成烯醇负离 子的难度增大 .3 结论在-羰基环十二酮的酮- 烯醇互变异构中 , 其取代基效应 、温度效应和溶剂效应与已有的研究结论一致,但与相应的-羰基环已酮相比, 其烯醇含量要低得多.其 原 因 可 归 结 为 酮 式 的 优 势 构 象 为- 边 外 取 代3333-2- 酮 , 而烯醇式的优势构象为1.2- 二取代1 烯2333,环骨架的构象有根本的 改变 . 这种由构象因素引起的酮- 烯醇互变异构的变化可 称之 为构象效应, 正是由于-羰基环十二酮与-羰基环已酮构象效应的不同造成前者与后者相比, 烯醇的含量要低得多.References1(a) House, H. D.Mordern Synthetic Reactions , 2th ed.,Bengamin, Inc., California, 1972, p. 492.(b) Campbell, R. D.; Gilow, H. M. J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, 1440.(c) Gero, A. J. Org . Chem. 1954, 19, 1960.2 Wang, D.-Q.; Yang, X.-L.; Wang, M.-A.;