与碳正离子的反应

碳正离子发生反应经过具有精确立体化学的过渡态，其中进攻的亲核试剂的电子对，必须与缺电子的碳原子的空 p 轨道共直线.这样，强的立体电子效应控制着这些反应.

例如，亲核试剂 Y-从具有构象 195 的碳正离子的上面或下面进攻，如果R3≠R4，那么就会分别以构象 196 和 197 给出两个非对映体.碳正离子 195 也可以通过失去一个质子形成双键（→198），因为 C—H 键与碳正离子的 p 轨道处于合适的排列.由于同样的原因，它还可以发生带着一对电子的氢迁移， 给出重排的碳正离子 199.与此类似，在骨架重排中，如 Wagner-Meerwein 或嚬呐醇重排，迁移的烷基必须是处于合适位置的烷基，如 200 和 201 所示.

当亲核试剂是底物的一部分时，对碳正离子两种可能的进攻方式（195

→196 和 195→197）之间的区别，能够容易地观察到.在这种情况下，观察到了邻近基团的参与现象（参考[69]的综述）.例如，赤式对甲苯磺酸酯异构体202 在乙酸中的溶剂解，经过手性桥离子 203，主要生成赤式乙酸酯异构体

204，而苏式异构体 205 经过非手性中间体 206，产生苏式产物 207A 和 207B 的消旋混合物.

顺式和反式对甲苯磺酸酯 208 和 209 的溶剂解，给出相同的反式二乙酸酯 210.顺式异构体 208 经过一个经典的 SN2 取代，即乙酸根离子取代对甲苯磺酸酯，生成 210.反式异构体 209 首先通过反式酯基的参与，给出环状乙酰氧正离子中间体 211.而后乙酸根离子对 211 进行亲核进攻伴有构型转化，给出反式二乙酸酯 210.有趣的是，反式异构体 209 溶剂解的速度，大约比顺式异构体 208 快 700 倍，这表明了邻近基团参与的重要性（邻助作用）.

这样，通过分析不同类型的亲核取代反应，清楚地阐明了反应性的立体电子要求和由此产生的效应.在简单和复杂的重排反应中，也可以看到这些效应.例如，下面的重排说明，迁移基团的确必须处在如 195→199 和 200→201 所示的合适位置.三氟化硼催化的β-环氧化合物 212 的重排，立体专一地给出反-二缩酮-酮 213.没能检测到较稳定的异构体顺-二缩酮-酮 214.Ireland 和 Hengartner 把他们的结果解释为中间体 215 中 C-6 上α氢的立体控制迁移.215→213 中的过渡态的立体化学，相应于 195→199（R2=O—

BF^-）中的过渡态的立体化学.

用三氟化硼的乙醚溶液处理化合物 216，给出217 和 218 的混合物.正像上面所描述的，216→217 的转化一定经过中间体 219 发生.218 的形成是甲基迁移和随后失去质子的结果（219→220→218），这两步相当于 200→201 和195→198.

有时，几步重排连续发生.在 3-β-无羁萜醇（221）到 13（18）-土当归烯（222）的酸催化转化过程中，观察到一种壮观的情形.在这种情形中，221 可能给出了碳正离子 223，后者经过六次立体电子控制的 1，2 迁移，生成碳正离子 224，而后224 失去一个质子产生 222.另外，由 3-β-无羁萜醇（221） 脱水得到的无羁萜烯用酸处理，也给出化合物 222.

由以上得出结论：Wagner-Meerwein 类型的重排反应看来是受强的立体电子效应控制的.

在甾族化合物的生源合成中，角鲨烯（225）在酶催化下进行多环化反应， 产生四环化合物羊毛甾醇 （ 226 ）， 226 最后被转化为胆甾醇

（227）.Eschenmoser、Stork 及其同事们提出，角鲨烯-羊毛甾醇的转化可依据立体电子效应来解释.这一生物学的环化反应的立体化学过程，可以通过考虑角鲨烯环氧化物（228）（胆甾醇生物合成中的一个中间体）变化成■玛二烯醇 229 的反应来说明.这一转化比角鲨烯-羊毛甾醇的转化容易进行，后者涉及一些碳原子的重排.

为了描述基本的思想，本作者选择了 Johnson 的总结和溴对烯烃的专一性加成的立体化学观念相同，这一过程可认为是对烯键的反式反平行亲电加成.这样，角鲨烯环氧化物 228 的氧的质子化，在 C-2 上产生一个最早的正离子中心，它与 6，7-烯键的π电子反应，在 C-2 和 C-7 之间形成一个σ键.碳正离子中心转移到 C-6 上，又对 10，11-烯键进行亲电进攻，产生 C6—C11σ 键，等等.结果角鲨烯中的全反式烯键导致了反式稠合的四环产物229 的形成. 这个一般意义上的多烯环化立体电子控制的概念，为许多生物学的环化反应的立体化学过程，提供了令人满意的解释.

在一个卓越的系列实验中，Johnson 及其同事们发现，处理某些具有 1， 5-位置关系的反式烯键的多烯，能够产生全反式构型的立体专一的、非酶促的、正离子的环化反应的产物.看来，这些转化反应在原理上模拟了角鲨烯转变成多环三萜的生源过程.对于这个工作，已经有人作了很好的综述，在这里只描述一些具有代表性的例子.

这种类型 C—C 键的形成，是通过双键与碳正离子的相互作用发生的.这可以看作是一种形成 C—Cσ键的取代反应，正是为了这个原因，才在这一章里描述它.

在戊烷中，用氯化高锡处理多烯缩酮 230，给出大约等量的两个外消旋D-高甾类四环异构体 231 的混合物（产率为 30％）.在这一环化过程中，第一个正离子的中间体不是手性的，5，6-双键的两个面可以等同地与碳正离子反应，结果得到的产物（231）必是外消旋的.不具有手性中心的开链四烯缩酮 230 转化成具有 7 个不对称中心的四环体系，并且只产生 64 对可能的外消旋体中的一对，这是立体电子效应所具有威力作出令人惊异的贡献.

另一个例子是，外消旋的烯丙醇 232 在-80℃进行环化反应，得到外消旋的四环双烯 233，产率为 70％.233 的臭氧化给出双环三酮醛 234，后者在酸性条件下，经过两次分子内醇醛缩合和环化脱水，即生成外消旋的 16，17- 去氢孕甾酮 235.这代表着通过现今所谓“仿生”多烯环化法进行的甾族化合物的第一个合成.

在温度为-50°至-25℃时，四烯 236 在二氯甲烷中用三氟乙酸处理，即环化而给出 237，当 Ar=α-萘基时，产率达到 81％.立体专一地形成 A/B 环为顺式的产物，是立体电子控制的直接结果.事实上，在顺式产物的形成过程中，新形成的键（238→239）处于假直键取向，因而与环己烯双键的π轨道保持平行.结果形成 A/B 环反式稠合产物.这样的轨道重叠是不可能的，因为

新形成的键要处于假平键取向.产生五员环 D，是因为共振稳定化的苄位正离子 240 比六员环的高苄位正离子 241 优先形成.

Johnson 和他的同事们最近报道了 D-烯丙醇 242（光学纯度为 91％）的环化反应.当底物 242 在含有碳酸亚乙基酯的 1，1-二氟乙烷中，用三氟乙酸处理时，即得到产率 65％的△1-5β-孕甾烯-20-酮（243），其光学纯度为91％.用相似的方式，242 的对映体生成 243 的对映体，光学纯度为 92％.只发生很少量的外消旋化作用，该环化步骤基本上是对映体专一性的.另外，A/B环是顺式稠合的，同时由于 242 中的 C-6 是一个手性中心，所以这个过程基本上是一个全不对称合成.

在另一个研究工作中，光学活性底物 244 的环化反应，给出具有相同光学纯度的四环产物 245.由于 245 转化成了 11α-羟基孕甾酮（246），此工作完成了这个甾族化合物的全不对称合成.这一值得注意的不对称控制是由在244 中 C-10 的手性中心导致的：在受立体电子因素控制的环化过程的过渡态中，羟基的相对取向使得它产生一个具有平键二级醇的产物（245）.

van Tamelen 对多烯单环氧化合物做了广泛的考察.例如，他发现在硝基甲烷中，用 SnCl4 处理外消旋的环氧化合物 247，得到一个主要产物（产率35％），经鉴定它是外消旋的四环化合物 248.这是对角鲨烯变化成四环三萜的整个生物转化过程的非常相近的模仿（除光学活性外）.

在另一个例子中，van Tamelen 和 Loughhead 在低温下完成了（±）- 单环环氧化物 249 的环化反应（BF3·2Et2O），反应生成四环醇 251，产率25％.这可通过碳正离子 250 的形成来解释.250 是借助于立体电子理论对环氧化物的开环（产生顺 A/B 环稠合产物）和多烯的环化（产生 B，C，D 环的反式稠合），作出准确预测而得到的结果.然后通过合适的迁移和质子消除步骤（见 250 中箭头）而形成化合物 251.

当一个碳正离子（由溶剂解产生，即 252→253）与桥头碳原子相邻时， 就会产生一种有趣的情况.通常，桥头 C—C 键中之一与正离子 253 的 p 轨道共平面（或在起始物 252 中，与离去基团处于反式共平面）.结果这个 C—C 键的电子对和正离子（或发展中正离子）之间有可能发生电子离域化作用. 因而这一立体电子效应应该强有力地影响着所产生的碳正离子的形成（和反应性）.

例如，exo-2-降冰片基对溴苯磺酸酯 254 的乙酸解，专一地产生 exo-2- 降冰片基乙酸酯 255.exo-对溴苯磺酸酯 254 比 endo-对溴苯磺酸酯活泼 350 倍，而且具有光学活性的 exo-对溴苯磺酸酯进行乙酸解，给出完全外消旋的exo-乙酸酯 255.这样从exo-254 形成碳正离子要比从endo-256 快（较容易）.这些结果原先是用桥正离子（或非经典正离子）257（Winstein 的探讨）， 或者看作迅速平衡的经典碳正离子 258 和 259（Brown 的探讨）予以解释的.

存在着电子离域化作用这个观念，目前已被接受，问题是如何精确地描述这种离域作用的性质.一种观点认为，用几乎不涉及几何形状变化的 C—C 键超共轭来描述它（见 260）；或者用较近期的 1，3-桥键来描述（见 261）.

另一种观点认为，在一些情况下，存在着一种部分的桥结构，其中桥原子与两个碳原子之间发生着重要但不等同的键连（不对称桥键，见 262）；而在另一些情况下，桥原子对两个碳原子发生着强烈而等同的键连（对称桥键， 见 263）.

在这里并不想对这些观点进行抉择，但想说明，每种看法都涉及到强的立体电子要求.正如 Grob 和他的同事们最近所指出的，电子离域化的程度必定取决于参与的σ键和离去基团之间的取向.Newman 投影式 264 和 265 分别

说明了 254 和 256 中键的取向.在投影式 264 中，C1—C6 键正好与离去基团处

于反式共平面，因而它能有效地帮助离去基团的离去.而在 265 中，C1—C7 键与离去基团不是反式共平面的，在过渡态中提供着较小的稳定化作用，因此 endo 异构体 256 的溶剂解速度比 exo 异构体 254 的慢.