第37屆中國化學奧林匹克(初賽)有機試題解析

第37屆中國化學奧林匹克(初賽)有機試題解析摘要：從學生解題角度出發(fā)，對第37屆中國化學奧林匹克(初賽)試題中的有機化學第9和10題進行了全面詳盡的分析，這可以培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，進而提高學生解決有機化學問題的效率。同時，通過深入學習反應機理，幫助學生體會題目背后的科學思維，感受有機化學的魅力與樂趣。關鍵詞：化學奧林匹克競賽；有機化學；試題解析；反應機理中圖分類號：G64；O6AnalysisofOrganicQuestionsinthe37thChineseChemistryOlympiad(Preliminary)1TheAffiliatedHighSchooltoJiangsu2SchoolofEducationScience,JiangsuNormalUniversity,Xuz3DalianInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Dalian116023,Abstract:Fromtheviewpointofstudents’studentsbuildtheirlogicaltthoughtsbehindthetopicandfeelthecharma第37屆中國化學奧林匹克(初賽)于2023年9月3日在全國各地舉行[1]?？傮w來看，全卷的難度與往年相比變化不大。有機化學模塊側重于化學反應選擇性和多組分反應，重點考查學生有機化學基礎理論知識的靈活運用及推理能力，這對參賽選手的綜合能力提出了較高的要求。本文對第37屆全國化學初賽的第9、10題進行分析(表1)，從遇到題目、分析題目、如何推測反應機理等方面幫助選手形成有機化學解題思維，在掌握解題技巧的同時鞏固基礎有機化學中的常見知識與基本原理，進而幫助學生體會有機化學背后的科學思維，更為即將參加下一年選拔賽的學生和競賽培訓教師在備考或教學指導上提供一些參考依據(jù)[2–6]。表1第37屆中國化學奧林匹克(初賽)第9、10題考情細目表題號涉及知識點難度指數(shù)環(huán)氧化反應；化學選擇性+親核加成；Ireland-Claisen重排反應；烯醇互變異構；SN2’；R,S構型++++化學選擇性；傅克反應；芳構化；立體化學+++++親核取代；Brook重排反應；+++Brook重排反應離子穩(wěn)定性；親核取代；脫硅試劑；R,S構型++Brook重排反應；親核加成；立體異構++羥醛縮合；Zimmerman-Traxler椅式過渡態(tài)；Brook重排反應；親核加成；R,S構型+++++立體化學；立體異構體概念++的數(shù)目代表相對難度的大小，+越多，相對難度越大有機合成涉及的選擇性主要有化學選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性等，是學習的重點。[9-1]畫出以下兩個氧化反應主要產(chǎn)物A和B的結構式：Ae'OH202NaotB[9-2]烯基環(huán)氧化合物(烯基與環(huán)氧直接相連)是重要的合成前體。如下由消旋底物C為原料制備烯基環(huán)氧化合物E的路線具有很好的非對映選擇性(非對映選擇性過量值>10:1)。隨后，可以在酸的作用下轉化為內(nèi)酯G1和G2。KKOMeOMeG1G2[9-2-1]畫出產(chǎn)物D的立體結構式，并判斷哪些屬于主要產(chǎn)物(在所畫的結構式上圈出即可)。[9-2-2]由D到E的轉化過程屬于哪類重排反應類型？[9-2-3]畫出關鍵中間體F的立體結構式，并判斷產(chǎn)物G1中三個手性中心的絕對構型。[9-3]烯基環(huán)氧化合物H在Lewis酸(LA)催化下中間體I和J轉化為產(chǎn)物：但不同的Lewis酸會形成不同的產(chǎn)物，如LA為BF3.Et2O主要產(chǎn)物為K；而TMSOTf催化下則為L。Meo、心MeoMeoJkorLH[9-3-1]依據(jù)以上信息，畫出關鍵中間體I和J及產(chǎn)物K和L的立體結構式(分離后沒有得到六元環(huán)并六元環(huán)的產(chǎn)物，K含氧雜氮雜五元環(huán)，L含六元環(huán)并七元環(huán))。[9-3-2]簡述為何在BF3.Et2O催化下的產(chǎn)物為K。本題目提示是氧化反應，而烯烴在過氧化物條件下的反應就是環(huán)氧化，進一步分析結構發(fā)現(xiàn)，圖中化合物是1,3-丁二烯，作為最簡單的共軛二烯，當其上連有不同的取代基時，會影響共軛二烯中烯烴為富電子雙鍵。圖1間氯過氧苯甲酸易形成分子內(nèi)氫鍵，進而形成親電子的氧原子，傾向于與富電子的C3＝C4反應生成3,4-環(huán)氧化合物A。在堿性條件下，EQ\*jc3\*hps14\o\al(\s\up4(?),2)氧原子，更傾向于與缺電子的C1＝C2反應，生成1,2-環(huán)氧化合物B。phOSO4A3Hph43Hph4electronelectronrichelectrondeficient3SH202/NaoH3S3S3S3So2o2phOSB圖12-苯磺?；?1,3-丁二烯與不同過氧化物的環(huán)氧化反應機理[9-2-1]畫出產(chǎn)物D的立體結構式，并判斷主要產(chǎn)物。首先對C進行結構分析可得以下結論：(1)在C中存在多種官能團，碳碳雙鍵、羰基、縮酮、環(huán)醚鍵、醚鍵和碳鹵鍵；(2)C中有兩個手性中心，與氧形成三元環(huán)，則手性有兩種可能的取向(C1和C2)。因此，在反應過程中引入其他基團時，原有手性結構會影響引進基團新形成的手性碳的構型。對反應條件進行分析：C到D反應條件分兩步，第一步與親核試劑烯基鋰反應，第二步和酸酐反應。綜合對C和反應條件的分析，可以推斷出第一步反應是烯基鋰對羰基的加成反應，會形成新的手性中心，因而需要考慮反應過程手性中心對反應的影響。圖2分析了C到D的反應機理過程：消旋底物C包含等量的對映異構體C1和C2，分別以C1和C2去進行反應，在與烯基鋰的加成反應中，因為環(huán)氧的取向不同，會形成四種中間體Int-1?Int-4，四種中間體后續(xù)與酸酐反應會轉變?yōu)樗姆N產(chǎn)物(D1?D4)。以C1為例，羰基所在六元環(huán)為平面，環(huán)氧位于平面右側，那么烯基鋰進攻羰基的時候，右側進攻位阻較大，因而烯基鋰優(yōu)先從左側進攻得到主要中間體Int-1；類似地，對于C2與烯基鋰的加成反應，Int-4是主要中間體，最后與丙酸酐反應生成的D1和D4則為主要產(chǎn)物。[9-2-2]由D到E的轉化過程屬于哪類重排反應類型?題目中提示“重排反應”，有機中重排是常見的改變骨架連接方式的方法。已學過的重排反應有很多種，為了進一步確定是哪種重排反應，可以通過對比反應物和產(chǎn)物結構發(fā)現(xiàn)。如圖3所示，對比D和G1結構發(fā)現(xiàn)，虛線框內(nèi)碳鏈排列方式發(fā)生了改變，化合物G1中C3和C3’直接相連，并且每個碳上有個甲基，而D結構中C3和C3’上連有甲基，但它們并沒有直接相連。由此可以發(fā)現(xiàn)該反應有可能是發(fā)生[3,3]-σ重排，但其結構并TMSCl可以結合形成的烯醇氧負離子，形成穩(wěn)定的烯醇式結構，從而使D轉變?yōu)榫哂衃3,3]-σ重排的條件。因而可以判斷D到E為[3,3]-σ重排(Ireland-Claisen重排)。以D1為例，展示了D轉變?yōu)镋的反應機理。在強堿和TMSCl條件下，D1先轉變成烯醇硅醚中間體Int-5，隨后經(jīng)過六元環(huán)過渡態(tài)完成[3,3]-σ重排。六元環(huán)過渡態(tài)有兩種可能的構象Int-6和Int-7，由于Int-6中的溴與OTMS的排斥作用，其會轉變?yōu)檩^為穩(wěn)定的Int-7。隨后，在酸性條件下，脫去TMS得到酸E1。類似地，另一種構型D4經(jīng)過相同過程可以生成E4。CC1C2MeoOMeMeoOMeMeoCC1C2D1majorD2D3D4majorLinucleoplhilicLinucleoplhilic圖2C轉變?yōu)镈的反應機理323\3 v廠MeoOMeD323\3 v廠MeoOMeDOMeHOMeoOMeH\OMeoOMeDK-N、1.sisi、TMSCI,Et2O-780c-rtMeoOMeMeoOMeE41'323=、2MeoOMe:lnt-5BrBrMeoOMe:lnt-6ssOTMISMeoOMelnt-7HBrMeoOMeMeoD4圖3D轉變?yōu)镋的[3,3]-σ重排反應機理[9-2-3]畫出關鍵中間體F的立體結構式，并判斷產(chǎn)物G1中三個手性中心的絕對構型。本題要求畫出F的立體結構，而前一問中只要求回答重排方式，在不知道E結構的前提下，如何利用已知條件推測F的結構成了本題的關鍵。如圖4所示，分析信息可得：(1)已知F的分子式，同時已知G的結構式就可以寫出G的分子式，對比F和G的分子式發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)到G的轉化少了一分子甲醇；(2)根據(jù)C的結構式以及推測出D的結構式，可以推斷出脫除的甲醇來源于C4位上的甲氧基與C5位上的氫；(3)將脫去的甲醇再重新加成到G的C4與C5位上，可以得到F的結構，同時也可以推斷出E的圖5展示了由E轉變?yōu)镕的反應機理：以E1為例，在醋酸條件下，環(huán)氧被質(zhì)子化，得到中間體Int-8，隨后由于與烯基相連碳上的甲基和環(huán)氧碳上的氫之間的位阻效應，Int-8會通過單鍵旋轉變?yōu)檩^為穩(wěn)定的中間體Int-9，之后羧酸發(fā)生分子內(nèi)親核進攻烯基環(huán)氧官能團得到F1。需要指出的是，該親核進攻模式屬于SN2’反應，即羧酸進攻碳碳雙鍵，然后烯丙位的環(huán)氧作為離去基團發(fā)生開環(huán)，并且進異構體E4也經(jīng)過syn-SN2’反應得到F4，最后再脫去甲醇芳構化分別生成產(chǎn)物G1和G2。BrBrCBrBrCHBro4CHBro4MeoOMeMeoOMeMeoOMeMeoOMeOMelnt-8lnt-9MeoOMeMeoOMeMeoOMeOMeE4Int-11Int-1'F4G2圖5E轉變?yōu)镕和G的反應機理手性中心絕對構型的判斷是有機中的基礎知識，將碳上最小的基團放在離眼睛最遠的地方，其他三個基團按照次序規(guī)則從大到小的方向旋轉，旋轉方向是順時針的，手性碳為R構型，旋轉方向是逆時針的，手性碳為S構型[7]。G1中有三個手性碳，對于C1位，最小的取代基為氫，另外三個取代基按照從大到小順序為―C＝O(C,O)、(C,CH3,CH,H)、―CH3(C,H)，逆時針為S構型；C2位，最小基團是氫，另外三個取代基按照從大到小順序為(C,O,H)、(C,CO,CH3,H)、―CH3(C,H)，順時針為R構型；C3位，最小基團是氫，另外三個取代基按照從大到小順序為(O)、(C,＝CH,＝CBr)、(C,CH,CH3,H)，順時針為R構型。[9-3-1]畫出關鍵中間體I和J及產(chǎn)物K和L的立體結構式。為了方便分析，對H進行編號。首先對H進行結構分析，包含有酯基，環(huán)氧，碳氮鍵，苯環(huán)上有強供電子基團甲氧基，則甲氧基的鄰對位反應活性較強。反應是在LA條件下，極有可能發(fā)生環(huán)氧開環(huán)，苯環(huán)上取代反應等。根據(jù)題目信息，可以分析得到以下幾點結論：(1)H，K和L的分子式相同，說明是分子內(nèi)的反應，沒增加元素，沒減少元素，LA是作為催化劑；(2)K和L是經(jīng)過相同的中間體，說明J有多個反應位點，有兩種可能反應方式；(3)K是既包含氧原子又包含氮原子的五元環(huán)，說明反應連接位點在C3-N7或O4-C8；(4)L是六元環(huán)并七元環(huán)，H本身是包含一個六元環(huán)的，那六元環(huán)并七元環(huán)，說明反應連接位點在C3和C10位。根據(jù)以上分析，L的結構如圖6所示(先不考慮立體結構)。由H到L的機理有兩種可能，首先Lewis酸活化環(huán)氧得到中間體Int-12，之后發(fā)生傅克反應，由于苯環(huán)上有兩個甲氧基，所以在發(fā)生反應時有兩種可能。路徑a：苯環(huán)上的C10位作為親核位點，進攻環(huán)氧C3位得到I1，直接形成六元環(huán)并七元環(huán)，之后脫氫芳構化得到J1，最后質(zhì)子解Lewis酸離去，得到產(chǎn)物L；另一種路徑b：傅克反應發(fā)生在苯環(huán)C9位，進攻環(huán)氧形成螺環(huán)I2，再芳構化開環(huán)得到亞胺鹽J2，J2可以再發(fā)生一次傅克反應，其苯環(huán)C10位進攻亞胺C8位，再脫氫芳構化與質(zhì)子解，生成產(chǎn)物L。J2還可以發(fā)生另一種環(huán)化，O4親核進攻C8形成含氮含氧的五元雜環(huán)Int-13，Lewis酸離去得到產(chǎn)物K。而根據(jù)分析結論第2條，我們可以排除路徑a，因此，確定I2與J2是題中中間體I和J的正確結構。pathaMeoocpathaMeoocXHMeoocMeooc1Meooc1SNTSMeo7HMeooc1COOMepathvbCOOMe44Meo4-O6MeoNTSMeo4-O6MeoNTSMeoNMeoNInt-12MeoNTSMeoNTS6MeoSS4KMeoNTSMeoNTS6MeoSS4KCOOMeJ2COOMeJ2MeoNTSMeoSMeoocInt-13COOMeMeoNTSMeoMeoNTSMeoSMeoocInt-13COOMeMeoNTSMeo圖6H轉變?yōu)镵和L的反應機理反應過程中，環(huán)氧發(fā)生了開環(huán)反應，涉及兩個手性碳C3和C5，接下來我們對反應過程中手性中心碳的構型進行分析。首先，對底物H中兩個手性中心的絕對構型進行判斷，C3位的構型為S[(O),(C,O),(C,C),逆時針]，C5位構型是S[(O),(C,O),(C,N),逆時針]。如圖6反應機理所示，H中氧和LA結合形成氧鎓離子，手性碳構型保持不變，之后發(fā)生傅克反應，從環(huán)氧C3位的背面進攻，C3―O斷裂得到中間體I，此時中間體I中C3的構型仍是S[(C,O),(C,C,C,C),(C,C,C,H),逆時針]，C5并未參與反應，但是C5上四個取代基大小由于C3―O鍵斷裂發(fā)生改變，根據(jù)新的基團大小排列其構型為R[(O),(C,N),(C,C),順時針]。隨后，氮上孤對電子轉移，C8―C9鍵斷裂，苯環(huán)芳構化得到中間體J，J分別通過兩種不同環(huán)化反應得到產(chǎn)物K和L。[9-3-2]簡述為何在BF3.Et2O催化下的產(chǎn)物為K。解釋在BF3.Et2O催化下的產(chǎn)物為K，而在TMSOTf中得到L，本質(zhì)上是對中間體J在不同催化劑條件下，氧的親核性比較。三氟化硼結構特點是，硼上連著三個氟，氟的吸電子作用比較強，且硼上還有一個空的p軌道，因而可以接受一對電子，作為強Lewis酸催化劑，與氧原子是通過配位鍵結合在一起。相比下，在TMSOTf中，氧會與其反應，生成硅醚共價鍵形式TMSOR。因此，RO…BF3和TMSOR比較，在三氟化硼催化下，氧的親核性更強，更易發(fā)生氧環(huán)化反應生成產(chǎn)物K。本題主要考查了有機反應中的化學選擇性和立體選擇性：[9-1]為烯烴環(huán)氧化反應選擇性。題目的素材源自目前就職于英國金斯頓大學JanE.B?ckvall教授的論文[8]，該題目主要是對有機化學基礎知識的考查，難度不大；[9-2]羰基加成中的立體選擇性，[3,3]-σ重排(Ireland-Claisen重排)六元環(huán)過渡態(tài)選擇性，syn-SN2’選擇性[9]等。題目的素材源自美國阿肯色大學MatthiasC.McIntosh教授的論文[10]，該題目具有一定綜合性，涉及多個知識點，尤其是立體化學的考查；[9-3]推斷反應中間體和產(chǎn)物結構是歷年初賽在有機化學模塊的高頻考點。本題目的素材源自日本工學院大學ShinjiNagumo教授的2第10題解析2.1考試題目利用陰離子傳遞(ARC)的多組分反應可以高效構筑復雜分子的骨架體系。[10-1]如下反應步驟是基于ARC的多組分反應(ASG為碳負離子穩(wěn)定基團，E為親電試劑)，寫出此反應關鍵中間體M、N、以及O的結構式。ASCLisiR3NMNE*ER1[10-2]根據(jù)以上信息，畫出下列反應主要產(chǎn)物的結構式(要求立體化學)。[10-3]依據(jù)以上信息，畫出構建如下產(chǎn)物所需三個反應原料的結構式(要求立體化學)。SSSSTBSOTBSSSSSTBSBnoBno[10-4]將ARC策略和醛縮合反應相結合，可以一鍋法高效構筑雙環(huán)骨架(如下圖所示)。-78C,0.5h-78C,0.5hHOTB:S到產(chǎn)物5。[10-4-1]寫出中間體P、Q及R的結構式(要求立體化學)。[10-4-2]判斷S–V中的哪一個為此轉換的主要產(chǎn)物。HOTBSSHOTBSTHOTBSU H HOTBSV[10-5]S和T兩者之間的關系為：a)對映異構體；b)差向異構體；c)非對映異構體。2.2考題解析如圖7所示，首先對反應物1進行分析，ASG為碳負離子穩(wěn)定基團，1結構中的C1具有親核性，環(huán)氧被親核試劑進攻，有兩種進攻方式，進攻C2位或者C3位，一般優(yōu)先進攻位阻小的C2位。對產(chǎn)物2分析發(fā)現(xiàn)：(1)2結構中存在反應物C1位與環(huán)氧C2位相連的鍵，可以確定是1中的C1位親核進攻環(huán)氧的C2位，形成中間體M；(2)親電試劑E與C1直接相連，那將E―C1鍵斷裂，可以推斷出中間體O的結構，ASG的存在能夠穩(wěn)定C1負離子；(3)對比M和O的結構，發(fā)現(xiàn)M中的C1―Si和O負離子，變成了O中的O―Si鍵和C1負離子，推測N應該是C1―Si和O―Si同時存在的環(huán)狀負離子，進一步斷裂C1Si形成的O，至此推斷出N的結構。需要指出的是，環(huán)氧中R1不等于氫的時候，存在手性碳C3，但反應過程中并未直接在手性碳處發(fā)生反應，也并未形成新的手性中心，反應過程中手性碳構O31NO31NsiR3AsciO O2R3si *\圖7M,N和O的結構推測根據(jù)10-1的分析結果，可以得到化合物3的反應機理(圖8)：首先化合物3在強堿丁基鋰作用下，脫去質(zhì)子，形成鋰鹽Int-14，二硫縮醛作為碳負離子穩(wěn)定基團ASG。Int-14親核進攻(R)-環(huán)氧丙烷開環(huán)得到中間體Int-15，單鍵旋轉形成環(huán)狀負離子Int-16，斷開C―Si得到Int-17，實現(xiàn)了硅的1,4-遷移(Brook重排)。隨后，再和另一分子的(R)-環(huán)氧丙烷生成Int-18，再得質(zhì)子，在氟化鈉作用下脫除硅得到目標產(chǎn)物4。在整個過程中都不涉及手性碳原子的反應，手性碳的構型保持。分為紅框部分和藍框部分。紅框部分是類似[10-2]的反應，是1和環(huán)氧化合物的反應，兩個紅框為對稱結構，而藍框部分屬于親電試劑E。逆合成分析，斷開產(chǎn)物5中的C3―C4和C8C9得到2分子中間體O1和E+，E+的前體是環(huán)氧化合物8。由O1逆推可以推出反應物為芐氧甲基環(huán)氧6和TBS二硫縮醛7。具體反應過程是，二硫縮醛7首先在丁基鋰作用下得到鋰鹽M1，再親核進攻環(huán)氧化合物6，經(jīng)歷1,4-硅遷移轉變?yōu)橹虚g體O1。兩分子的O1從兩側親核進攻雙環(huán)氧化合物8，使環(huán)氧開環(huán)，再捕獲質(zhì)子得//SS/1)1)H2OSSSSHSiMe33 HSiMe33lnt-15Int-16lnt-15Int-16nBULinBULiInt-14Int-17/2)NaFSS4圖83轉變?yōu)?的反應機理ASGOsiR3ERl2!ASG7S8325S457S8325S45//nBULiHTBS2SS72!8Bnov3O122!8Bnov3O12TBSooSSOTBeSo18o1Int-192HSSOTBSOBnBno、、SSOTBSOBnOBno·6S√SHTBS75圖95的逆合成分析和合成過程SSSS如圖10所示，對反應物9結構進行分析，官能團只有羰基，反應物10中有醛基、硫縮酮結構(可以穩(wěn)定碳負離子)和硅基。對產(chǎn)物11進行分析，11的分子式是9和10分子式之和，且11中有三個手性中心。對具體反應條件分析得到以下結論：環(huán)己酮在強堿性條件下轉變?yōu)橄┐迹瑢τ诃h(huán)狀結構只能得到E-烯醇鋰P。然后，與10中醛基發(fā)生縮合反應，經(jīng)過六元環(huán)過渡態(tài)結構式Int-20、Int-20’或Int-21、Int-21’，大基團處于平伏鍵的中間體最穩(wěn)定，通過對應的紐曼投影式可以更直觀地發(fā)現(xiàn)Int-21、Int-21’為優(yōu)勢過渡態(tài)(Zimmerman-Traxler椅式過渡態(tài)[12])，主要生成anti-加成產(chǎn)物Q和Q’，得到一對對映異構體。隨后再發(fā)生[10-1]中的1,4-硅遷移，得到中間體R，隨后碳負離子分子內(nèi)同側進攻羰基環(huán)化得到產(chǎn)物11。Int-22的碳負離子與環(huán)己酮羰基發(fā)生親核加成時，從同側下方進攻得到產(chǎn)物，根據(jù)機理則可以給出11的立體結構中主產(chǎn)物為T?？疾鞂αⅢw結構中幾個概念的理解。對于含有多個手性中心的立體異構體中，所有手性中心的絕對構型都是對應相反的異構體即為對映異構體，反之則為非對映異構體。差向異構體則是一種特殊的非對映異構體，對于兩個含有