研究论文介绍

环己烷的单侧全氟化—-(cis)-六氟代环己烷的合成及其性质研究

含氟化合物在医药品、有机电子材料、聚合物材料领域有着广泛的用途。被人熟知的特氟龙(Teflon)材料是化学名为聚四氟乙烯(PTFE)的一类多氟含碳化合物,因其良好的耐腐蚀性,疏水性等特点,而多被用于烹调器具,涂层等。

从原子、分子级别去观察这一性质,氟原子因为它具有在所有原子中电负性最大,极化率较低的这一特点,而使得特氟龙等多氟含碳化物会产生较强的电子排斥从而削弱分子间的相互作用。而一方面,则因为氟的电负性大,使得它更容易和带正电荷的分子发生静电吸引,这一特点可以从苯-六氟取代苯络合物的形成来得到验证(图1)[1]。苯环(C6H6)因为氢原子的电负性小而使苯环上的电子密度高(δ)、六氟取代苯则恰恰相反,苯环上的电子密度低(δ+)。因此,两种化合物的苯环与苯环之间相互作用,形成固体络合物。正如这样,氟化物会产生与众不同的性质,所以将氟原子导入碳原子骨架中并研究其表现的特殊的理化性质,也是化学家们的兴趣所在。

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与上面举例的全氟碳化合物相比较,部分取代的多氟含碳化合物会表现出什么样的性质呢?还有那些氟原子如果排列在一定的方向又会发生什么呢? 这样的话我们推断分子将呈现较大的极性,多个氟原子之间相互排斥导致分子形状发生变化等等不常见的想象。

最近、St Andrews大学的O’Hagan教授研究组就上述的问题统一起来,给我们了一个研究性的答案。他们对cis-1,2,3,4,5,6-六氟环己烷(本文封面的图片,即环己烷的单侧被氟原子取代的分子)开发了独特的合成方法,并研究阐明该化合物的性质,这个分子的含氟原子的一面和含氢原子的一面是完全相反的电子密度,可以称作有正面反面的分子。下面,我们就这个分子做个介绍。

 

“All-cis 1,2,3,4,5,6-hexafluorocyclohexane is a facially polarized cyclohexane”

Keddie, N. S.; Slawin, A. M. Z.; Lebl, T.; Philp, D.; O’Hagan, D. Nature Chem. 2015, 

DOI:10.1038/nchem.2232

 

一个难合成的化合物: 最不稳定的氟取代环己烷构型异构体、F–原子的弱亲核性和较大的电子排斥性。

2011年O’Hagan教授组成功合成了环己烷的六个碳原子分别被一个氟原子取代的六氟代环己烷b[2]。但是,却没有合成六个氟原子都呈cis构型的六氟代环己烷,这其中的困难主要有以下两个方面:

1. 化合物自身的基态能量高

1,2,3,4,5,6-六氟环己烷有8种构型异构体(configuration)、加上构象异构体(conformation)总共有15种异构体。而在这其中这次的目标化合物c是基态能量最高的化合物,与最稳定的异构体a相差15 kcal mol-1 (图2)。

 

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图2

 

2. 氟原子的弱亲核性及较高的电子排斥

虽然把这个困难点放在第二位、但它其实是这篇研究中需要完成的最大挑战,也是该分子合成的战略关键,作者设想方案,对环己烷六醇的C–O键依次进行SN2氟代反应。氟原子因弱亲核性和高电子排斥性使得一般的亲核取代反应难发生、特别是随着取代氟原子数目的增多到反应接近最终产物时消去反应比取代反应更容易发生。

理由如上,使得合成cis-六氟环己烷的合成方法至今为止没有被报道。

合成路线

O’Hagan教授等人用氧原子全部在同侧(如图3中观察到全部平面内侧的构型)的化合物3作为关键的中间体(由myo-Inositol肌醇化合物2衍生而得到),在C–O键的位置发生氟离子的SN2反应,构型翻转后,生成的氟代产物的氟原子全部朝另一侧(平面外侧)。但是正如上述第二点提到的那样,F离子的弱亲核性使得SN2反应进行要比设想的困难很多。针对这个问题,O’Hagan教授等人则先对化合物3进行脱氧氟化[3]反应,化合物3在较高温下与脱氧氟化试剂作用高收率的得到衍生化合物4,之后在微波照射下C–O键的位置与氟化试剂(3HF·Et3N)发生SN2反应,也就是对化合物4的环氧化物进行位置选择性SN2反应,生成的–OH转变为–OTf后,再跟着两步SN2反应,共12步合成,总收率2%得到目标化合物(1)。因为合成最后阶段能适用的氟化剂仅限3HF·Et3N这一局限性等,使得该合成很困难。再加上最终的反应步骤如同预期的那样,消去反应这一副反应的影响,使得收率非常低。

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它有什么样的性质呢?

尽管是含有6个氟原子的化合物、通过X线结晶构造解析、该分子的构造竟意外的和环己烷类似,呈椅式构象。(图 4a)。本来预期的氟原子之间由于电子排斥作用会使处于axial位置的氟原子向外侧偏移的情况,在X射线单晶结构解析中竟然发现axial位的氟原子依然保持平行。另外通过量子计算证实,带氢的一侧是正电荷,带氟的一侧是负电荷,从而表明该化合物确实呈现出正反两面。这个性质最直接的表现就是分子堆积作用变强、而且堆积的分子都是朝着一个方向(图 4b, 4c),正反面之间带有相反电荷,使该分子拥有烷烃分子中最大的偶极矩。因此也帮助我们明白它为什么是非亲水性的“强极化疏水性化合物”。之后、O’Hagan教授等人通过温度可变19F NMR 探究 cis-六氟环己烷的翻转能垒、∆H = 13.30.43 kcal mol-1 ∆S = –3.81.6 cal mol-1 K-1 (cf: 环己烷; ∆H = 10.8 kcal mol-1, ∆S = 2.8 cal mol-1 K-1)。从这些结果推测,虽然它与环己烷相比过渡态很类似,但是产生一定程度的不稳定化。

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以上就是O’Hagan教授报道的首例cis-六氟代环己烷的合成及其性质的研究。X射线结晶构造解析的结果显示和环己烷有大致相同的构造,并确证这个分子正面和反面带有相反电荷。这个研究也因此而揭开了迄今为止不为人知的碳氟化合物的新的一面。

到这写了这么多,其实最想知道的还是这个化合物的基本的物理化学性质,如「这个化合物的熔点、沸点到底多少?」这个最基本的问题。首先常温能够测定X射线单晶解析的固体,真的让人惊讶(因为环己烷是液体,带氟原子后沸点应该会很大程度降低)也许测定结束,融化的瞬间就挥发了,换句话说应该是很容易升华的一个化合物。遗憾的是,在这次的研究中并无相关的记载,从论文supporting information中实验部分中描述仅得到0.8mg的化合物、应该还没有测量基本的物性吧。不管怎么说,新化合物的合成是大多化学家的兴趣和特长所在,这也让有机合成工作者能更大程度的在基础研究方面助其它研究一臂之力。

 

参考文献

  1. Patrick, C. R.; Prosser, G. S. Nature 1960187, 1021. DOI: 10.1038/1871021a0
  2. (a) Durie, A. J.; Slawin, A. M. Z.; Lebl, T.; O’Hagan, D. Angew. Chem., Int. Ed. 201251, 10086. 
DOI: 10.1002/anie.201205577 (b) Durie, A. J.; Slawin, A. M. Z.; Lebl, T.; Kirsch, P.; O’Hagan, D. Chem. Commun2011, 47, 8265. DOI:10.1039/C1CC13016A (c) Durie, A. J.; Slawin, A. M. Z.; Lebl, T.; Kirsch, P.; O’Hagan, D. Chem. Commun201248, 9643. DOI: 10.1039/C2CC34679F
  3. Lal, G. S.; Pez, G. P.; Pesaresi, R. J.; Prozonic, F. M. Chem. Commun1999, 215. DOI: 10.1039/A808517J

 

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土生土长西安人,本+硕在陕师大,博士在日本冈山大学取得,博后在名古屋大学ITbM研究所伊丹研究室,有机化学研究生涯3+3+3,现职于西安交通大学理学院。擅长金属催化的偶联反应,博后期间开始合成糖化学,还有碳氢键活化研究。喜欢语言,旅游,网络,音乐,当然最最喜欢的还是化学。现为化学空间员工代表,小编兼美术。 自我描述:师范大学子弟,从小就在家门口上学,也没吃过什么苦,没想到学有机化学的这些年,高强度的实验把我锻炼成了不折不挠的女汉子。硕士毕业留学日本一待就快六年,坚持下来很佩服自己,而且也越来越喜欢有机化学了。 身为化学空间的员工代表,想把化学空间做成“化学人儿”的平台,也希望更多学化学,爱化学的人加入我们,用我们的力量让更多人能感受到化学的魅力。

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