臭氧與烯烴氧化反應(yīng)機(jī)理詳解

1. 臭氧化分解反應(yīng)機(jī)理

臭氧化分解反應(yīng)的機(jī)理主要遵循 Criegee 機(jī)制，該機(jī)制最早由德國化學(xué)家 Rudolf Criegee 于 1953 年提出。Criegee 機(jī)制可分為以下幾個關(guān)鍵步驟：

第一步：初級臭氧化物形成

臭氧分子與烯烴雙鍵發(fā)生 [3+2] 環(huán)加成反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的初級臭氧化物（POZ，Primary Ozonide）：

R1R2C=CR3R4 + O3 → R1R2C(O-O)CR3R4O

第二步：初級臭氧化物分解

初級臭氧化物迅速分解為一個羰基氧化物（Criegee 中間體，CI）和一個羰基化合物：

R1R2C(O-O)CR3R4O → R1R2C=O + O=CR3R4

第三步：次級臭氧化物形成

Criegee 中間體與羰基化合物再次發(fā)生 [3+2] 環(huán)加成反應(yīng)，形成次級臭氧化物（SOZ，Secondary Ozonide）：

R1R2C=O + O=CR3R4 → R1R2C(O)OCR3R4O

近期研究表明，Criegee 中間體除了參與上述經(jīng)典反應(yīng)路徑外，還可能發(fā)生其他反應(yīng)，如與大氣中的 SO?、NOx 等污染物反應(yīng)，生成硫酸和硝酸等二次污染物。

2.臭氧環(huán)氧化反應(yīng)機(jī)理

臭氧環(huán)氧化反應(yīng)的機(jī)理與傳統(tǒng)的 Criegee 機(jī)制有所不同

。在過渡金屬催化劑存在下，臭氧分子首先與催化劑形成活性中間體，然后與烯烴雙鍵發(fā)生選擇性環(huán)加成反應(yīng)，形成環(huán)氧化物：

催化劑活化：

Cat + O3 → Cat-O3*

環(huán)氧化反應(yīng)：

Cat-O3*+ R1R2C=CR3R4 → Cat + R1R2C(O)CR3R4

3.順式雙羥化反應(yīng)機(jī)理

順式雙羥化反應(yīng)的機(jī)理涉及初級臭氧化物中間體的親核捕獲過程：

初級臭氧化物形成：

R1R2C=CR3R4 + O3 → R1R2C(O-O)CR3R4O

親核試劑捕獲：

R1R2C(O-O)CR3R4O + NuH → R1R2C(OH)CR3R4(OH) + NuO

在這一過程中，親核試劑（如異丙基溴化鎂）選擇性地進(jìn)攻初級臭氧化物的特定位置，形成順式雙羥基化產(chǎn)物。這一反應(yīng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)為烯烴的選擇性雙羥化提供了新思路，并成功應(yīng)用于藥物合成領(lǐng)域。

4.脫烯胺化反應(yīng)機(jī)理

脫烯胺化反應(yīng)是一種新型反應(yīng)，其機(jī)理涉及烯烴臭氧化反應(yīng)與過渡金屬催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)的結(jié)合：

烯烴臭氧化：

R1R2C=CR3R4 → (O3) → [初級臭氧化物] → 分解 → 自由基中間體

銅催化胺化：

自由基中間體 + Cu催化劑 + 含氮試劑 → R1R2C-NR3R4

這一反應(yīng)機(jī)制的獨特之處在于，它利用了長期以來被忽視的反應(yīng)路徑，將烯烴的 C-C 單鍵轉(zhuǎn)化為 C-N 鍵，為含氮有機(jī)化合物的合成提供了新策略。