α-取代的β-乙氧基乙烯基三氟甲基酮的光学和热转化

紫外光诱导Ar矩阵中α-取代β-乙氧基三氟甲基酮（I-III）的构象转变及动力学热力学参数研究表明，氟原子取代对分子构象和旋转机制有显著影响。化合物I的构象转变仅由乙氧基旋转受阻引起，能垒最大；化合物II和III因氟原子的吸电子效应和空间位阻，导致羰基和乙氧基同时旋转受阻，形成更多稳定构象。通过FTIR光谱和量子化学计算验证了不同取代基对分子构象分布及能量参数的影响。

　　

Sergey I. Vdovenko | Igor I. Gerus

乌克兰国家科学院V.P. Kukhar生物有机化学与石油化学研究所，Kukhara院士街1号，02094，基辅，乌克兰

摘要

利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和量子化学计算方法，研究了α-取代的β-乙氧基乙烯基三氟甲基酮（C₂H₅O–CH=C(R)–COCF₃，I-III）（I：R = H；II：R = F；III：R = CH₃）在紫外光（λ = 275 nm (I)、290–300 nm（II）、300–320 nm（III）作用下的构象转变动力学和热力学参数，以及它们在CCl₄溶液中的热互变行为。研究发现，I型烯酮的所有构象变化均仅由于–CH₂—O单键的旋转受阻引起，且其旋转障碍比其他烯酮更为显著。与I型烯酮不同，II型烯酮的构象互变主要是由于α-氟取代基的介子效应导致三氟甲基羰基绕O=C–C=C单键和乙氧基绕EtO–C=C单键同时旋转。引入甲基作为α-取代基后，乙氧基绕EtO–C=C单键的旋转受阻程度增强。

引言

氟及其含氟取代基能够对有机化合物的性质产生多种影响。众所周知，氟的电负性、大小、全疏水性/亲水性以及静电相互作用会显著影响其化学反应性。如今，用三氟甲基取代甲基会导致化学或立体化学结果的巨大差异[1]。近年来，人们越来越关注将氟引入有机分子的方法[2]。这种方法的广泛关注源于氟原子能够显著改变小分子的生理和化学性质（如化学/代谢稳定性、亲脂性和结合选择性[参见][2]及其中的参考文献）。含有CF₃官能团的化合物中，三氟甲基酮是一类特别值得研究的化合物。这类氟化基团在构建三氟甲基杂环化合物、药物化合物以及天然产物的氟化类似物过程中起着关键作用。许多药物或其前体都含有氟原子[3], [4]。例如，Takagi等人[3], [4]报道了多种三氟甲基化达诺霉素和阿霉素类似物的合成，这些类似物表现出良好的抗肿瘤活性。Nino Zanatta等人[5]基于通式为X₃C–C(O)–CH=C(R)–OR₁（其中R = H, Me, Ph; R₁ = Me 和 Et; X = F 和 Cl）的β-烷氧基乙烯基三卤甲基酮，报道了一种新的4-取代的2-氧代-6-三卤甲基-[1], [3]氧杂氮烷-3-羧酸乙酯的三步合成方法。部分分析出的氨基甲酸酯在体外表现出显著的抗菌活性[5]。氟化有机化合物在许多不同但相互关联的研究领域中具有广泛的应用[6]，特别是在核磁共振（NMR）实验中，¹⁹F核的高灵敏度使其成为生物研究的理想选择[7]（这需要预先制备含氟氨基酸并将其掺入蛋白质中[7]）。最近的研究[8]表明，含有三氟甲基羰基的s-(叔-丁基)三氟硫乙酸酯存在两种可能的构象（顺式和反式）。通过FTIR光谱（气相和氩基质）研究了这两种构象的偏好性和光化学性质。同样，间位-氟苯酚的单体也被捕获到低温氩气和氮气基质中，并在紫外光照射下观察到了光转化现象[9]。最适合将氟引入各种生物有机和有机分子的合成方法包括使用β-烷氧基乙烯基三氟甲基酮[5], [6], [8], [9]。我们长期关注三氟甲基乙烯基酮的合成应用[9], [10]以及这些化合物与胺类反应的机理[11], [12], [13], [14]。早期研究[12]表明，由于各种键的旋转受阻，烷氧基乙烯基三氟甲基酮会形成不同的构象，尤其是CC双键、=C–C单键（位于乙烯基和羰基之间）以及=C–O单键（位于乙烯基和烷氧基之间）。烯酮中的电子密度分布强烈依赖于分子的空间结构，即异构体/构象组成[13], [14]。此外，我们最近还发现[13]，结构不同的乙氧基乙烯基三氟甲基酮具有不同的反应性。在非极性溶剂和纯液体中，三种α-取代的β-乙氧基乙烯基三氟甲基酮会形成多种构象。先前[15]我们定量研究了这些α,β-不饱和烯胺酮在氩基质中暴露于紫外光下的互变过程。据我们所知，目前尚未有类似的对α-取代的β-乙氧基乙烯基三氟甲基酮进行过此类定量研究。因此，填补这一研究空白至关重要，需要实验测定这些可能的异构体/构象（通式为F₃C-CO–CR = CH–OC₂H₅，其中R = H (I), R = F (II, R = CH₃ (III) 在氩基质中紫外光作用下的动力学参数（直接转化速率k₁和逆转化速率k_?1常数）以及计算得到的热力学参数（相对能量ΔE⁰）。同时，也实验测定了这些烯酮在CCl₄溶液中热诱导互变过程的活化参数。

材料与方法

起始化合物：E：-4-乙氧基-1,1,1-三氟丁-3-烯-2-酮（I）[10]，Z：-4-乙氧基-1,1,1,3-四氟丁-3-烯-2-酮（II）[16]，以及E：-1,1,1-三氟-4-乙氧基戊-3-烯-2-酮（III）[12]的制备方法如前文所述。所有FTIR [13]、UV–vis [11], [14]、NMR ⁱH、¹³C、¹⁹F [11], [12]光谱及化学分析结果均与其化学和空间结构相符。烯酮（I-III）的纯度≥99%。

基质分离研究

纯液态烯酮（I, II, III）（纯度>99%）的制备方法已在前文描述

二维相关光谱

材料与方法

起始化合物：E：-4-乙氧基-1,1,1-三氟丁-3-烯-2-酮（I）[10]，Z：-4-乙氧基-1,1,1,3-四氟丁-3-烯-2-酮（II）[16]，以及E：-1,1,1-三氟-4-乙氧基戊-3-烯-2-酮（III）[12]的制备方法如前文所述。所有FTIR [13]、UV–vis [11], [14]、NMR ⁱH、¹³C、¹⁹F [11], [12]光谱及化学分析结果均与其化学和空间结构相符。烯酮（I-III）的纯度≥99%。

基质分离研究

纯液态烯酮（I, II, III）（纯度>99%）的制备方法已在前文描述

二维相关光谱

结论

当烯酮（I）在氩基质中受到紫外光照射时，由于乙氧基的–CH₂单键旋转受阻，会形成多种构象，具体表现为顺序性的（反式 → 顺式 → 顺式）旋转。与其他烯酮相比，这种旋转障碍更为显著。

在烯酮（II）中引入氟作为α-取代基后，由于三氟甲基羰基和乙氧基的额外旋转受阻，会出现新的构象

CRediT作者贡献声明

Sergey I. Vdovenko：研究工作、数据分析、概念构思。Igor I. Gerus：监督工作、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。