对称四乙酰基乙烷（TAE）的轴手性消旋机制

Racemization mechanism of axially chiral sym-tetraacetylethane: axial rotation vs intramolecular proton migration

Mingyue Liu, Bao Zhang, Mingliang Chen, Shuo Wang, Xiangge Zhou, and Haifeng Xiang*

 Chemical Communications, 2026, DOI: 10.1039/D6CC04393C

Despite a high rotational barrier from ortho-methyl groups, symtetraacetylethane‒a distally axially chiral molecule with intramolecular hydrogen bonds‒cannot be resolved by chiral HPLC. DFT reveals an unusual racemizationpathway via hydrogen-bond-assisted intramolecular proton migration (barrier 1.33-3.00 kcal/mol) that interconverts enantiomers without axial rotation or bond breaking, supported by NMR and UV-Vis spectra.

该文献（Chem. Commun. 接收稿）研究了对称四乙酰基乙烷（TAE）的轴手性消旋机制，核心发现是：TAE 并非通过传统的轴向旋转消旋，而是通过氢键辅助的分子内质子迁移（IPM）实现消旋，能垒极低（1.33–3.00 kcal/mol）。

研究背景

• 轴向手性分子通常通过两种机制消旋：物理轴向旋转（单键旋转、协同齿轮旋转）或键断裂/形成。

• TAE 晶体中，烯醇式 1 通过两个分子内氢键（IHB）形成两个六元环，产生远端轴向手性，且四个邻位甲基相同。

• 尽管旋转能垒计算高达 30.3–44.2 kcal/mol（远高于拆分阈值 22.2 kcal/mol），但手性 HPLC 无法拆分，提示存在非旋转消旋路径。

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方法与计算

• 使用 DFT（M062X、B3LYP、PBE1PBE、WB97XD、B972 等）结合不同基组（def2SVP、def2TZVP、6-31G*、6-311G**）及 PCM/SMD 溶剂模型，优化基态和过渡态。

• 弛豫键长扫描显示：当羟基质子向相邻羰基氧迁移时，质子位于两个氧原子中间（O···H ≈ 1.1955 Å），过渡态能垒仅 1.69 kcal/mol（M062X/def2SVP）。

• IRC 计算确认该过渡态对应质子振荡（虚频 -1088.89 cm⁻¹）。

• 多种泛函给出的消旋能垒为 1.33–3.00 kcal/mol，与实验无法拆分一致。

关键实验证据

• NMR：CDCl₃、C₆D₆、DMSO-d₆ 中，烯醇 O–H 信号在 16.8–17.5 ppm，无酮式 C3–H 信号，证明溶液中主要以烯醇 1 存在。

• 固体 NMR：五个 distinct 信号，与计算烯醇 1 吻合。

• 溶液 NMR：仅两个（¹H）和三个（¹³C）信号，表明高对称性结构，说明存在快速质子迁移，时间平均后烯醇与羰基区分消失。

• UV-Vis：实验吸收（λmax 284 nm，肩峰 320 nm）更接近计算物种 4（双质子迁移中间体），支持动态平衡。

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结论

• TAE 的消旋由 IHB 辅助的分子内质子迁移驱动，无需轴向旋转或键断裂，能垒极低（1.33–3.00 kcal/mol），是一种前所未有的超低能垒消旋路径。

• 该机制与 β-二酮的烯醇–烯醇互变异构类似，但首次揭示了其对轴向手性消旋的影响。

• 设计轴向手性分子时，必须考虑氢键可能作为“双刃剑”：它既能锁定构象，也可能通过质子转移引发快速消旋。

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