综述:四乙酸铅氧化(1)

概述
四乙酸铅,lead tetraacetate,缩写LTA,在空气中不稳定,极易吸潮水解。遇湿气或水水解生成棕色的二氧化铅,使其活性有所降低。如变质已经呈黑色,临用前应在乙酸中重结晶。
四乙酸铅是强氧化剂,在储存和使用时应该避免和强还原剂接触。四乙酸铅有剧毒,使用后,废液应处理回收,常见的方法是沉淀并过滤。如果使用的试剂出现棕色,说明有一定程度的变质。一种很好的保存方法是将其浸入在纯净的冰乙酸中,这种方法可以保证四乙酸铅不变质。在用量方面,要考虑其中含有的乙酸杂质,因此,较之理论用量,应当略微过量一点。
四乙酸铅应当避光储存,在放有固体氢氧化钾及五氧化二磷作干燥剂的真空保干器中,可以保存数周。
在使用四乙酸铅进行反应的过程中,要求绝对无水无氧,如果采用苯作为溶剂,应当用钠丝除去其中的水分。一切使用四乙酸铅的反应最好在氮气氛中进行,注意安全。四乙酸铅本身虽不燃烧,但在一定的条件下,经受摩擦、震动、撞击、高热或遇酸碱,在受潮,接触有机物、还原剂以及和性质有抵触的物品混存时,即可能分解,发生燃烧和爆炸。
务必注意,使用四乙酸铅的反应必须在装有防爆屏的通风橱中进行,并谨慎进行后处理!
反应模式
从基本的原子理论和惰性电子对效应可以知道,四价铅非常不稳定,倾向于得到和两个电子形成二价铅离子,产生稳定的闭壳层结构。由于四乙酸铅中铅的氧化数非常高,其与乙酸根离子之间的化学键也具有较少的离子性。从配体场理论可以知道,当中心原子具有相当高的电荷时,配体的电子会有与中心原子形成共价键的倾向。四价铅和电子的强结合能力使得四价铅很容易夺取两个电子,并发生共价键的均裂,形成一个自由基。

最直观的例子出现在自由基寿命的测定实验中:在一个玻璃管中加入四烷基铅,加热使之分解产生铅和自由基,从管子的一端充入氮气,自由基会随着氮气流动,铅则以铅镜的形式附着在玻璃管表面,自由基还可以和铅再次结合,使铅镜重新消失。这样一来,测量铅镜消失的位置和氮气的流动速度,就可以得到自由基的寿命。

四乙酸铅可以和醇或酚羟基结合,发生裂解,可以使用光诱发,也可以进行热裂解.这样一来,得到一个氧自由基,酚自由基比较稳定,(同样的现象还出现在酚被空气氧化的条件下),醇自由基则不然,由于较难发生氧自由基单电子的自旋离域,因此这个单电子能量较高.产生的自由基可以发生碎片化重排,断开相邻的C-C键,产生更稳定的自由基.

由于高的中心电荷,四乙酸铅还可以通过配体交换,和底物结合,并接受分子内的络合以及螯合作用。与众不同的是,这种螯合可能是破坏性的。四价铅的中心原子随时可以夺取络合物骨架上C-O键的电子,从而产生断开的C-C键碎片。

烯丙醇切除反应

三级醇的氧化一直很少被提及,由于为了达到很好的产率,对底物的要求非常严苛[Meunier,2000]。而在天然产物中,这种结构却相当常见。之前的反应使用PCC进攻三级烯丙醇,得到α,β-不饱和醛,用高锰酸钾处理,得到一个酮。后面这种反应模式有一定的应用前景,但是由于后处理的困难,没能得到广泛的应用。现在我们有一种很好的方法将三级烯丙醇的烯基切除,得到一个酮,结果类似于反转了烯对羰基的亲核加成。

使用臭氧/四乙酸铅体系,可以高效的完成这样一个切除过程[Ramos,2006]。

反应历程如下:

1)臭氧和双键发生臭氧化[3+2]环加成反应,并经历重排,形成五元环中间体;

2)四乙酸铅和三级醇发生配体交换反应,离去一分子乙酸,形成烷氧基三乙酰氧基铅;

3)第一步形成的中间体,过氧键和铅络合,氧原子带一个形式电荷;

4)五元环发生碎片化,乙酸铅离去。

不饱和羧酸的氧化

在有机合成中,我们常常使用羧酸和醇的脱水反应来合成内酯,这里涉及的脱水剂多种多样,包括从浓硫酸、浓磷酸到偶氮二羧酸乙酯(DEAD)、三氯苯甲酰氯等一系列化合物,这些化合物有的用来活化羟基,增强其亲核性,有的反其道而行之,活化羰基,增强其亲电性,更有的兼而有之,甚至能用于大环内酯的合成。

四乙酸铅给这类反应开拓了一种新的思路:羧酸和双键的双环内酯化[Corey, 1980]。1980年,E.J.Corey提出了四乙酸铅作用于二酸的反应。

反应要求的二羧酸必须是顺式的(对双键而言),产物是顺式的双环内酯;只有形成五元环内酯的底物才可以得到很好的产率。

这样的羧酸可以通过茂和一个不饱和顺式羧酸反应,经历Diels-Alder反应得到很好的立体选择性,通过后续的处理,可以得到四环的内酯。

    氮烯的形成

这里以二苯乙烯为底物,氮源采用N-氨基邻苯二甲酰亚胺,得到的产物通过亲核取代脱去保护基邻苯二甲酰基,得到N-氨基吖丙啶衍生物。实验操作如下[Eschenmoser, 1976]:

1)在三口圆底烧瓶中装配机械搅拌装置,确保装置运行正常,再加入19.5克(0.12mole)氨基邻苯酰亚胺。加入108克反-1,2-二苯乙烯,用300毫升二氯甲烷溶解,充分搅拌;
2)十分钟内,分批加入60克四乙酸铅固体,室温下激烈搅拌,加完后持续搅拌30min;
3)用硅藻土过滤混合物,分两次用50ml二氯甲烷洗涤,合并滤液,冰浴中搅拌加入1.5L戊烷,此时析出黄色固体;
4)二氯甲烷和戊烷再次重结晶,室温真空干燥得到产物。
氮烯还可以继续进行重排,例如1-氨基-2-吲哚酮,经过四乙酸铅氧化产生氮烯或类氮烯后,可以重排形成“Neber's lactam”。叔丁醇氯也可以作为这种功能的氧化剂,首先氧化氮原子,在氮原子上面形成一个很好的离去基,相当于提高了氮原子的亲电性,再引发重排。重排有很多可能[Zey, 1988]:
(i)酰基迁移,同时乙酸根进攻羰基,得到酸酐,氮原子再进行酰化反应;
(ii)铅原子上发生$\alpha$消除反应,再脱去质子,相当于氮原子发生$\alpha$消除反应,得到氮烯,插入酰胺键;
(iii)苯环发生迁移反应,乙酸铅离去,得到重排产物。
烯胺的氧化重排
Favorski反应已经广泛用于环戊基羧酸酯的合成,通过向环己酮衍生物的羰基α-位引入一个离去基(可以是-OTs,-Cl等),再用碱处理,经历一个三元环中间体,得到重排的产物。
上面的反应需要两步完成,使用四乙酸铅则只需要一步即可得到目标羧酸酯[Cvetkovic,1980],这一改进极大的提高了反应的效率。以环己基烯胺为例,这里的烯胺是为了增强羰基α-位的亲核能力。向0.03mole环己基烯胺中加入0.03mole三氟化硼乙醚合物,再加入0.03mole乙醇和50ml无水苯,搅拌混合均匀,再加入0.03mole四乙酸铅,室温搅拌30小时即可以78%的产率得到环戊基羧酸乙酯。反应机理如下:
1)四乙酸铅和乙醇发生配体取代,得到乙氧基三乙酰氧基铅;
2)烯胺氮原子结合一个三氟化硼,带一个正形式电荷;
3)乙氧基和铅对双键发生加成,铅连在羰基α-位;
4)铅原子的配体乙酰氧基用羰基上的孤对电子进攻羰基碳,发生六元环中间体的重排,铅原子离去;
5)消除乙酰基,活化的二级胺离去。
    蒎烯的氧化
蒎烯是松节油的主要成分,其衍生物可以用于多种单萜的合成,然而,由于其烯丙位氧化的选择性差,传统的二氧化硒氧化也因为高成本、剧毒而限制了使用。采用四乙酸铅处理,并经过简单的后续转化就可以在烯丙位引入一个羰基。实验过程如下[Paquette, 1998]:
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