輔酶NADH模型物還原活化烯烴反應機理研究

0年第21卷有機化學(xué)Chinese Joumal of Organic (hrmistrvo.ll,898-903·研究成果報告輔酶NADH模型物還原活化烯烴反應機理研究劉有成a:b李勁°(“中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系合肥23006)06A(b蘭州大學(xué)應用有機化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室蘭州7000摘要對不課題細近年來(lái)研究的輔酶NADH模型物還原活化烯烴的反應機理進(jìn)行了綜述。對于輔酶模型物還原2溴-1亞乙基內二腈類(lèi)化合物的反應,依賴(lài)輔酶模型物和底物的結構,反應可以按一步的負氫轉移機理或按電子轉移機理進(jìn)行。用手性輔酶模型物進(jìn)行這一反應,可得到具有中等光學(xué)活性的環(huán)丙烷衍生物。實(shí)驗結果表明輔酶模型物BNAH與11二苯基-2,2_二硝基乙烯的反應的過(guò)渡態(tài)具有部分雙自由基和部分共價(jià)鍵形成的特征,為 PToss-Shaik“曲線(xiàn)交叉模型”所預測的“中間機理¨提供了直接的證據。BNAH與9業(yè)芴基丙二腈的反應經(jīng)歷電子轉移和負電荷在9位碳上的碳負離子中間體,動(dòng)力學(xué)同位素效應為26關(guān)犍詞輔酶NADH還原,反應機理,負氫轉移,單電子轉移,曲線(xiàn)交叉模型Study on the Mechanism of Reduction of Activated Ethyleneswith Coenzyme NADH ModelsLIU You.Cheng"'a., LI Jing"(o Depxartmerut of Chemistry, Lniversity of Science and Technology of China, 230026 HefeiNational Laboratory of Applied Organic Chemistry, Lanchou Unirersity, 730000 lanzhouAbstract The reduction of a series of 2-bromo-1-(X-phenyl )ethylidene malonic derivatives with Coenzyme NADHmodels has been investigated. Depending on the structure of substrates and that of the model, hydride transfer mechanismand electron transfer mechanism could be differentiated. Thus, the reaction of 4benzyl-1, 4-dihydronicotinamideBNAH) with 2-bromo-1-phenylethylidenemalononitransfer mechanism, while the reaction of 10-methy1-9, 10-dihydroacridine with 2-bromo-1-phenylethylidenemalononitrilegave 1-phenylethylidenemalononitrile through electron transfer, debromination and hydrogen abstraction mechanism. Studies on substituent effect and kinetic isolope effect support the conclusion. Using(Ss)-1-benzyl-3-(p-tolylsulfinyl)-1,4.dihydropyridine as a chiral NADH model, the synthesis of phenylcyclopropane derivatives with moderate optical activityhas been achieved. Based on the evidence of kinetic isotope effect and trapping with oxygen, the reduc tion of 1, Idiphenyl-2, 2-dinitroethvlene with BNAH has been shown to proceed through a transition state of partial diradical and parial covalent bonding character. This was caused by steric hindrance of the substituent phenyl and nitro groups as demonstrated by X-ray crystallographic analysis of the substrate molecule. This provides evidence for the existence of an"inter-mediate mechanism"between polar mechanism and electron transfer mechanism according to Pross-shaik Curve CrossingModel".The reduction of 9-fluorenylidenemalononitriIe with BNAH proceeded through electron transfer and the interme-diacy of a carbanion with negative charge on C-9 of fluorenyl nucleus and showed a kinetic H/D isotope effect of 2.6Further researh work is in progressKey words NADH model, electron transfer, curve-crussing model中國煤化工CNMHGReceived 2001-07-13: Accepted 2001國家自然科學(xué)基金(Nos.2939201,29672031,29832040)資助項目。第11期劉有成等:輔酶NADH模型物還原活化烯烴反應機理研究899前言4-:氫煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)是--應則是按電子轉移、脫溴、奪氫機理進(jìn)行的( Scheme個(gè)典型的輔酶,它在生物氧化-還原反應中起著(zhù)重1)。要的作用。有關(guān)NADH如何轉移形式上的一個(gè)負氫給反應底物的問(wèn)題一直是令人感興趣的課題,大部CONH分的研究工作都是圍繞如何用實(shí)驗區分步負氫轉移機理和以單電子轉移為先行步驟的多步反應機理CONH,BNAHCH, BrO-P-0-P-0NADHR= PO.H, NADPHCONH2CH2BrCONIINC、CNAcrH,NADHNAD本課題組多年來(lái)在國家自然科學(xué)基金的支持下,對輔酶NADH模型物還原反應機理進(jìn)行了深入Scheme地研究,取得了一系列創(chuàng )新性成果,現將部分主要成果匯報如下。為了對這一反應的機理作更進(jìn)一步的了解,我們對BNAH和AcrH2還原五種苯環(huán)對位帶有不同取2結果與討論代基的2-溴-1-(對X-苯基)亞乙基丙二腈的反應進(jìn)21輔酶NADH模型物還原2溴1苯基亞乙基丙行了研究,通過(guò)取代基對反應速率的影響來(lái)闡明其腈類(lèi)化合物反應反應機理2。研究發(fā)現BNAH還原2溴1-(對X苯本課題組首次報道了4芐基-1,4二氫煙酰胺基)亞乙基丙二腈都產(chǎn)生相應的2(對X苯基)環(huán)丙(BNAH)與2溴1-苯基亞乙基丙二腈的還原脫溴環(huán)烷-1二腈用其二級反應速率常數與BNAH和2丙烷化反應和10甲基,10氫吖啶(AcH1)與2溴1苯基亞乙基丙二腈反應的二級反應速率常數溴1苯基亞乙基丙二腈的還原脫溴反應,發(fā)現前比值(kx/k),對 Hammett ow作圖得到一條直線(xiàn),反應生成2苯基環(huán)丙烷1,二腈,而后一反應卻斜率為248。H/D動(dòng)力學(xué)同位素效應均大于3.0生成1苯基亞乙基丙腈;通過(guò)對這兩個(gè)反應的動(dòng)此結果進(jìn)一步證實(shí)反應是按一步負氫轉移的極性機力學(xué)同位素效應的測定發(fā)現BNAH與2溴1苯基理進(jìn)行的。而Act還原2溴1-(對X苯基)亞乙亞乙基內二腈反應表現出一級動(dòng)力學(xué)同位素效應基丙二腈生成相應的1-(對x苯基)亞乙基丙二腈(k/kp=35),而Ach的反應則表現出二級動(dòng)力用kx/knett gxt作圖,得不到線(xiàn)性關(guān)系D動(dòng)力中國煤化工明該反應是按學(xué)同位素效應(kH/kD=1.15)。這樣通過(guò)產(chǎn)物分析和動(dòng)力學(xué)同位素效應的結果,可以推斷BNAH的反電子轉CNMHG在前述研究工作的基礎上,我們對反應底物2應是按一步的負氫轉移機理進(jìn)行的,而AcrH2的反900有機化學(xué)Vo,21,21溴-1-苯基亞乙基丙二腈中的內二腈部分進(jìn)行了修是反應物的授受電子能力的不同,使反應由負轉飾將兩個(gè)腈基分別換成兩個(gè)酯基、一個(gè)腈基和一個(gè)移極性機理向電子轉移機理轉化。酯基、一個(gè)腈基和一個(gè)酰胺基,對這些底物與BNAH的反應分別進(jìn)行了研究。發(fā)現當丙腈部分中的F1OC、CO2EtE1O2C、CO2Et個(gè)腈基被換成酯基后,雖然仍可得到相應的環(huán)丙烷化合物,但產(chǎn)率很低,主要原因是基團轉換后使反應CHBCH,BI底物的反應活性降低,反應速率減慢。該反應若改在光照條件下進(jìn)行,則得不到環(huán)丙烷化合物,反應按E1O20EO2C、CO2Ft照電了轉移機理進(jìn)行( Scheme2)13)2NC、CO2EBNAHE1O3C、CO3EtMeCNin the durk22利用輔酶NADH手性模型物進(jìn)行不對稱(chēng)環(huán)丙CO,Et烷化反應BNAHCH, BrCH2Br - Br從前述輔酶NADH模型物還原2溴1-苯基亞乙基丙腈類(lèi)化合物反應研究工作中,叮以看出選擇適當的輔酶NADH模型物和反應底物,可使反應NC、COft按照負氫轉移的機理進(jìn)行,生成環(huán)內烷類(lèi)產(chǎn)物。在這反應中,如果我們用手性輔酶NADH模型物代ANAL替BNAH進(jìn)行反應或者在手性環(huán)境中進(jìn)行反應,可能得到具有光學(xué)活性的2-芳基環(huán)內烷-1,1-二腈我們用手性輔酶NADH模型物(S)-1-芐基3Scheme 2(對甲苯基亞砜基)-1,4氡吡啶與一系列2-溴-1芳基亞乙基內二腈的還原反應進(jìn)行了研究,發(fā)現反如果反應底物中的丙二腈部分的兩個(gè)腈基都被應產(chǎn)生具有中等光學(xué)活性的2芳基環(huán)丙烷1,1-二換成酯基后,研究發(fā)現該反應底物在暗處與BNAH腈(最高可達56%c)7l( Scheme4)。研究發(fā)現反應不發(fā)生反應,而在光照條件下才能發(fā)生反應,生成底物苯環(huán)上鄰對位取代基的變化,對反應產(chǎn)率和立種脫溴產(chǎn)物:a,B不飽和酯,y不飽和酯,4位碳偶聯(lián)的∷聚體四酯,表明反應是按照電子轉移機理進(jìn)體選擇性有明顯的影響。鄰位取代底物中僅鄰氟取行的( Scherr3)4。我們新近研究了BNAH與另代的有環(huán)丙烷化產(chǎn)物生成,其他鄰位取代底物均不個(gè)類(lèi)似結構的反應底物(一個(gè)氯基改為酰氨基)的反產(chǎn)生環(huán)丙烷化產(chǎn)物,表明空間效應的影響。分析苯應,同樣在室溫暗處不發(fā)生反應,而在光照條件下反環(huán)上取代基對反應產(chǎn)率和光學(xué)收率的影響,可以看應,得到還原脫溴產(chǎn)物,表明反應為電子轉移機出反應的決速步驟可能是電子轉移,尤其值得注意的是,對硝基取代和對甲氧基取代的反應底物的高以上研究結果表明,無(wú)論是輔酶NADH模型物產(chǎn)率和低立體選擇性,這是和Prs-Shik電子轉移還足反應底物結構的改變,都會(huì )在一定程度上影響理論相符合的。反應,甚至改變了反應機理。根據 Pmss-Shaik6·提中國煤化工合成光學(xué)活性環(huán)出的“構型混合模型( onfiguration Mixing Model),亦丙在這個(gè)思路的啟稱(chēng)“曲線(xiàn)交叉模型”( Curve-Crossing Model),在這類(lèi)反發(fā)CNMHG反應,于是對在水應物與輔酶NADH模型物的反應中我們認為主要相中用環(huán)糊精誘導環(huán)丙烷化的反應進(jìn)行了研究結第期劉有成等:輔酶NADH模型物還原活化烯烴反應機理研究果也得到有·定光學(xué)活性的2苯基環(huán)丙烷1,1二一底物反應,得到2氘代1,1二苯基2,2-二硝基乙腈,其中以γ-CD)和修飾的βCD效果最為顯著(zhù)烷,這些結果與反應的負氫轉移機理相-致。然而( Scheme5)8。令人驚異的是反應的動(dòng)力學(xué)同位素效應為kH/k1.8,遠小于一般的一級動(dòng)力學(xué)同位素效應;并且當23BNAH與II二硝基2,2二苯基乙烯的反應該反應在氧飽和的乙腈中進(jìn)行時(shí),除得到1,1--苯我們研究了輔酶模型BNAH與1,1-二苯基2,2基2,2二硝基乙烷外,還產(chǎn)生了二苯酮,CC-MS分硝基乙烯在除氧乙腈中的還原反應9,發(fā)現產(chǎn)物析兩種產(chǎn)物的比例為592:22.0 Scheme6)。為1,1-二苯基-2,2-二硝基乙烷。用氘代BNAH與同NC、CNS.一To]-pAr CH, BrH,PhEntryProdYields/%cLab2 p-NO2-C6H413.116.363r31.027.27 B Naphthyl37.021.1Scheme 4cyclodextrinsH,OBrH2C CNGuest moleculeBPMB-BNMAHHost moleculea-C BCD y-CD hp-B-CD y-Cd a-CD P-CD hp-p-CDChemical yield3000116.91.4226.33R(+)S(-)s(-)R(+)R(+)R(+)R(+)R(+)Concentration(mmol/L)1.5279Scheme 5中國煤化工CNMHG有機化學(xué)vol.21,2001ON、NOBNAH02Ph NO2NOzNO>MeCNAr darkDPDNDPDNHN. NI24輔酶NADH模型物還原9亞芴基丙二腈反應我們還研究了輔酶NADH模型物BNAH還原9BNAH亞芴基丙二腈的反應1314,用UVVi和EPR譜學(xué)O2· saturated方法檢測反應中間體,結果表明先發(fā)生電子轉移,生in the dark成9-亞芴基丙二腈負離子自由基,然后轉化成負電荷在9-位碳上的9-二氰基甲基芴基碳負離子中間體,后者經(jīng)質(zhì)子化生成9芴基丙二腈( Scheme8)。592為什么該反應的動(dòng)力學(xué)同位素效應這樣低,而且在氧飽和的乙腈中進(jìn)行時(shí)會(huì )產(chǎn)生二苯酮,這是需要研究的問(wèn)題,簡(jiǎn)單地用負氫轉移機理是無(wú)法解釋BNAH有文獻報道1,1-∵苯基-2,2-硝基乙烯碳負離子自由基與氧分子反應可得到二苯酮( SchemeScheme 87)I0我們通過(guò)X射線(xiàn)結構分析,發(fā)現1,1二苯基2,2硝基乙烯分子中由于苯環(huán)和硝基的空間位用4-位氘代BNAH還原9亞芴基丙二腈,發(fā)阻作用,分子的平面結構沿中心C—C鍵發(fā)生了扭動(dòng)力學(xué)同位素效應為2.65。這些都是十分有趣的曲,苯環(huán)和硝基的二面角都很大。根據“曲線(xiàn)交叉模結果,我們正在繼續進(jìn)行研究中,結果將另行報導”,空間障礙的存在使得BNAH在反應過(guò)渡態(tài)不能好地與底物分子接近,電子轉移后氫原子不容易達到與C的成鍵距離,從而使過(guò)渡態(tài)既有部分雙3結論我們研究了輔酶NADH模型物與各種不同結構自由基又有部分共價(jià)鍵形成的特征,這一點(diǎn)合理地的活化烯烴的反應,通過(guò)產(chǎn)物分析、動(dòng)力學(xué)同位素效解釋了反應的動(dòng)力學(xué)同位素效應偏低的原因。根據More o ferral.的維勢能面圖,在特定的反應體應和譜學(xué)方法對這些反應的機理進(jìn)行了細致的研系中,反應在通過(guò)過(guò)渡態(tài)能量最高點(diǎn)后可以向兩個(gè)究,取得了一系列有意義的結果,并運用 Pross-Shaik不同的反應方向進(jìn)行,條件是另一個(gè)反應必須是擴線(xiàn)交叉模型”予以解釋。我們認為輔酶NADH模散控制的,形成不同的反應產(chǎn)物。由于氧分子與烴型物的還原反應,雖然在形式上有…步的負氫轉移基和芐基自由基在溶液中的反應是擴散控制的{2機理和以單電子轉移為先行步驟的多步反應機理的苯酮的形成止是由于氧分子捕獲了這一反應的過(guò)區別,但是正如“曲線(xiàn)交叉模型”理論指出的,這兩種渡態(tài)結構中1,1二苯基2,2二硝基乙烯得到一個(gè)反應機理是有內在聯(lián)系的。這種內在聯(lián)系就是電子電子后形成的碳負離子自由基而產(chǎn)生的。這一研究轉移過(guò)程與氫原子轉移過(guò)程的協(xié)同性如果兩步是結果是“曲線(xiàn)交叉模型”預測的極性機理和電子轉移同步中國煤化工一步的負氫轉移;機理之間有“中間機理”的一個(gè)實(shí)驗證明如果CNMHG電子轉移為先行步驟的多步反應機埋。在這兩秤極端之間可能存在具有二者性質(zhì)的“中間機理”。這一點(diǎn)已在我們前第11期劉有成等;輔酶NADH模型物還原活化烯烴反應機理研究面所報道的研究工作有所證實(shí),在今后的研究工作81iu,Y.C.;L,x.Z.;Yang,C.;Guo,Q.x.Bowg中,我們將會(huì )繼續尋找更多的實(shí)驗證據來(lái)闡述上述m.2001,29,14觀(guān)點(diǎn)。9 Liu,YC; Wang, H.Y. i Yang,Q C: Thomas, C. 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