南昌大學有機化學24周環(huán)反應.ppt

,exit,第二十四章 周環(huán)反應,戴延鳳博士 ,一 周環(huán)反應概況簡解 二 分子軌道對稱守恒原理簡解 三 前線軌道理論的概念和中心思想 四 直鏈共軛多烯分子軌道的一些特點,第一節(jié) 周環(huán)反應和分子軌道對稱守恒原理,1. 定義,協(xié)同反應 協(xié)同反應是指在反應過程中有兩個或兩個以上的化學鍵破裂和形成時，它們都相互協(xié)調地在同一步驟中完成。,周環(huán)反應 在化學反應過程中，能形成環(huán)狀過渡態(tài)的協(xié)同反應。,環(huán)狀過渡態(tài),一 周環(huán)反應概況簡解,2. 周環(huán)反應的特點：,反應過程中沒有自由基或離子這一類活性中間體產(chǎn)生； 反應速率極少受溶劑極性和酸，堿催化劑的影響，也 不受自由基引發(fā)劑和抑制劑的影響； 反應條件一般只需要加熱或光照，而且在加熱條件下 得到的產(chǎn)物和在光照條件下得到的產(chǎn)物具有不同的立 體選擇性，是高度空間定向反應。,電環(huán)化反應 環(huán)加成反應 -遷移反應,3. 周環(huán)反應的主要反應類別：,分子軌道對稱守恒原理的中心內(nèi)容及內(nèi)函： 化學反應是分子軌道重新組合的過程，分子軌道的對稱性控制化學反應的進程，在一個協(xié)同反應中，分子軌道對稱性守恒。（即在一個協(xié)同反應中，由原料到產(chǎn)物，軌道的對稱性始終保持不變）。因為只有這樣，才能用最低的能量形成反應中的過渡態(tài)。,包括兩種理論：前線軌道理論，能級相關理論,二 分子軌道對稱守恒原理簡解,三 前線軌道理論的概念和中心思想,1. 前線軌道和前線電子 已占有電子的能級最高的軌道稱為最高占有軌道，用HOMO表示。未占有電子的能級最低的軌道稱為最低未占有軌道，用LUMO表示。HOMO、LUMO統(tǒng)稱為前線軌道，處在前線軌道上的電子稱為前線電子。 有的共軛體系中含有奇數(shù)個電子，它的已占有電子的能級最高的軌道中只有一個電子，這樣的軌道稱為單占軌道，用SOMO表示，單占軌道既是HOMO，又是LUMO。,2. 前線軌道理論的中心思想 前線軌道理論認為：分子中有類似于單個原子的“價電子”的電子存在，分子的價電子就是前線電子，因此在分子之間的化學反應過程中，最先作用的分子軌道是前線軌道，起關鍵作用的電子是前線電子。 這是因為分子的HOMO對其電子的束縛較為松弛，具有電子給予體的性質，而LUMO則對電子的親和力較強，具有電子接受體的性質，這兩種軌道最易互相作用，在化學反應過程中起著極其重要作用。,1. 分子軌道的數(shù)目與參與共軛體系的碳原子數(shù)是一致的。 2. 對鏡面（ v）按對稱-反對稱-對稱交替變化。對二重對 稱軸（C2）按反對稱-對稱-反對稱交替變化。 3. 結（節(jié)）面數(shù)由012逐漸增多。 4 軌道數(shù)目n為偶數(shù)時，n /2為成鍵軌道，n /2為反鍵軌道。n 為奇數(shù)時，(n-1)/2為成鍵軌道，(n-1)/2為反鍵軌道，1個為非鍵軌道。,四 直鏈共軛多烯的分子軌道的一些特點,一 電環(huán)化反應的定義 二 電環(huán)化反應描述立體化學過程的方法 三 電環(huán)化反應的選擇規(guī)則 四 前線軌道理論對電環(huán)化反應選擇規(guī)則的證明 五 電環(huán)化反應選擇規(guī)則的應用實例,第二節(jié) 電環(huán)化反應,一 電環(huán)化反應定義,共軛多烯烴末端兩個碳原子的電子環(huán)合成一個鍵，從而形成比原來分子少一個雙鍵的環(huán)烯的反應及其逆反應統(tǒng)稱為電環(huán)化反應。,h,外向對旋,二 電環(huán)化反應描述立體化學過程的方法,順時針順旋,反時針順旋,內(nèi)向對旋,三 電環(huán)化反應的選擇規(guī)則,允許,h,h,h,h,共軛體系電子數(shù),4n+2,4n,禁阻,禁阻,禁阻,禁阻,允許,允許,允許,順 旋,對 旋,共軛體系電子數(shù)是指鏈型共軛烯烴的電子數(shù)。,允許是指對稱性允許，其含義是反應按協(xié)同機理進行時活化能較低。,禁阻是指對稱性禁阻，其含義是反應按協(xié)同機理進行時活化能很高。,（1）電環(huán)化反應中，起決定作用的分子軌道是共軛多烯的 HOMO，反應的立體選擇規(guī)則 主要取決于HOMO的 對稱性。 （2）當共軛多烯兩端的碳原子的P軌道旋轉關環(huán)生成鍵 時，必須發(fā)生同位相的重疊（因為發(fā)生同位相重疊使 能量降低）。,四 前線軌道理論對電環(huán)化反應選擇規(guī)則的證明,前線軌道理論認為： 一個共軛多烯分子在發(fā)生電環(huán)合反應時，必須掌握二項原則：,實例二：完成下列反應式,五 電環(huán)化反應選擇規(guī)則的應用實例,實例一：完成下列反應式,175oC,+,主要產(chǎn)物,實例三：完成反應式,m 6 對正反應有利 m 6 對逆反應有利,（Z,E）-1,3-環(huán)辛二烯,m = 4,(7Z,順)-二環(huán)4.2.0辛-7-烯,E,Z,實例四：如何實現(xiàn)下列轉換,？,對,h,順,h,h,h,不能存在,熱,順,Pb(OAc)2,實例五：完成反應式并對反應情況作出解釋,杜瓦苯,實例六 完成反應式并對反應情況作出解釋,CH3O -,-N2,-N2,CH3O -,實例七 完成反應式并對反應情況作出解釋,H2O,H2O,內(nèi)向對旋,外向對旋,-H+,一 環(huán)加成反應的定義、分類和表示方法 二 環(huán)加成反應的選擇規(guī)則 三 前線軌道理論對環(huán)加成反應選擇規(guī)則的 證明 四 環(huán)加成反應選擇規(guī)則的應用實例 五 1,3-偶極環(huán)加成反應,第三節(jié) 環(huán)加成反應,環(huán)加成反應的逆反應為環(huán)消除反應。,一 環(huán)加成反應的定義、分類和表示,1 定義,兩個或多個帶有雙鍵、共軛雙鍵或孤對 電子的分子相互作用，形成一個穩(wěn)定的環(huán)狀 化合物的反應稱為環(huán)加成反應。,根據(jù)每一個反應物分子所提供的反應電子數(shù)來分類,2. 分類和表示,4s + 2s,2s,2a,異面,同面,二 環(huán)加成反應的選擇規(guī)則,環(huán)加成反應的Woodward-Hoffmann選擇規(guī)則,h,參與反應的電子數(shù),4n + 2,4n,同面-同面,同面-異面,允許,允許,允許,允許,禁阻,禁阻,禁阻,禁阻,h,h,h,（1）兩個分子發(fā)生環(huán)加成反應時，起決定作用的軌道是一 個 分子的HOMO和另一個分子的LUMO，反應過程中 電子由一個分子的HOMO流入另一個分子的LUMO。,三 前線軌道理論對環(huán)加成反應選擇規(guī)則的證明,前線軌道理論認為： 兩個分子之間的協(xié)同反應按照下列三項原則來進行：,HOMO,HOMO,HOMO,LUMO,+E*,+E*, -E, -E,E* E,E* E,（2）當兩個分子相互作用形成鍵時，兩個起決定作用的軌 道必須發(fā)生同位相重疊。,（3）相互作用的兩個軌道，能量必須接近，能量越接近， 反應越易進行。（因為互相作用的分子軌道能量越接 近，E越大，體系能量降低越多）。,實例一：寫出下列反應的反應條件：,四 環(huán)加成反應選擇規(guī)則的應用實例,1 3 4,+,+,h,h,h,h,2,4s+4s,1,2,3均為2s +2s,實例三：完成反應式：,實例二：寫出下列反應的產(chǎn)物：,+,4s+6s,2s+4s,實例四：完成反應式：,+,4s+2s,+ O=C=O,140oC,逆向4s+2s,實例五 寫出下列反應的機理,+,Cl3CCO2Ag,CH2Cl2 / SO2,-H+,實例六 寫出下列反應的機理,H3PO4,-H+,H3PO4,五 1,3-偶極環(huán)加成反應,1. 1,3-偶極化合物的結構和分子軌道,定義：能用偶極共振式來描述的化合物稱為1,3-偶極化合物,例如：,（腈葉利德） （氧化腈） （重氮烷）,1,3-偶極化合物的結構特點,這類化合物都具有“在三個原子范圍內(nèi)包括4個電子的體系”,1,3-偶極化合物的分子軌道的特點：,與烯丙基負離子具有類似的分子軌道的特點。,LUMO,HOMO,定義：1,3-偶極化合物和烯烴、炔烴或相應衍生物生成五元 環(huán)狀化合物的環(huán)加成反應稱為1,3-偶極環(huán)加成反應。,2. 1,3-偶極環(huán)加成反應,（1）1,3-偶極體的HOMO控制反應（簡稱HOMO控制反應） 1,3-偶極體出HOMO，烯烴出LUMO（正常） （2）1,3-偶極體的LUMO控制反應（簡稱LUMO控制反應） 1,3-偶極體出LUMO，烯烴出HOMO（反常） （3）1,3-偶極體的HOMO-LUMO控制反應 （簡稱HOMO-LUMO控制反應）（中間）。,分類：與D-A反應一樣，也是4+2環(huán)加成，分成三類,如果用前線軌道理論來處理1,3-偶極環(huán)加成反應， 基態(tài)時具有如下的過渡態(tài)。,基態(tài)時，同面-同面加成是分子軌道對稱守恒原理允許的。,親偶極體 LUMO HOMO,1,3-偶極體 HOMO LUMO,3. 1,3-偶極環(huán)加成反應的實例,1,3-偶極環(huán)加成反應提供了許多極有價值的五元雜環(huán)新合成法。,S=C=S,CH2=CHR,C6H5CH=O,C6H5N=O,R”CC R”,實例一,分子內(nèi)也能發(fā)生1，3-偶極環(huán)加成反應,實例二,1,3-偶極環(huán)加成反應是立體專一的同向反應,CH2N2,實例三,闡明下列1,3-偶極環(huán)加成反應的反應機理,+,-CO2,實例四,H+轉移,H+轉移,逆向1,3-偶極環(huán)加成反應,-O=C=O,正向1,3-偶極環(huán)加成反應,+,一 -遷移反應的定義、命名和立體化學 表示方法 二 -遷移反應的選擇規(guī)則 三 前線軌道理論對-遷移反應選擇規(guī)則 的證明 四 -遷移反應選擇規(guī)則的應用實例,第四節(jié) -遷移反應,在化學反應中，一個鍵沿著共軛體系由一個位置轉移到另一個位置，同時伴隨著鍵轉移的反應稱為-遷移反應。 在-遷移反應中，原有鍵的斷裂，新-鍵的形成以及鍵的遷移都是經(jīng)過環(huán)形過渡態(tài)協(xié)同一步完成的。,一 -遷移反應的定義、命名 和立體化學表示方法,1. 定義：,2. 命名方法,1,5 -遷移,1,3 -遷移,3,5 -遷移,5,5 -遷移,3. 立體化學的表示方法,同面遷移,異面遷移,同面-同面遷移,同面-異面遷移,異面-異面遷移,構型翻轉,構型保持,二 -遷移反應的選擇規(guī)則,參與環(huán)型過渡態(tài)的電子數(shù)(1+j ) or (i+j ),4n+2,4n,反 應 分 類,H1,j -遷移,C 1, j -遷移,C i , j -遷移,允許,允許,允許,允許,h,h,h,h,禁阻,禁阻,禁阻,禁阻,構型保持,構型翻轉,同面遷移,同面遷移,同面遷移,同面-同面遷移,異面遷移,異面遷移,異面遷移,異面-異面遷移,同面-異面遷移,三 前線軌道理論對遷移反應選擇規(guī)則的證明,處理1, j 遷移的方法:,（1）讓發(fā)生遷移的鍵發(fā)生均裂，產(chǎn)生一個氫自由基（或碳自 由基）和一個奇碳共軛體系自由基，把1, j 遷移看作是 一個氫自由基（或一個碳自由基）在一個奇碳共軛體系自 由基上移動完成的。,（3）在 -遷移反應中，新 鍵形成時必須發(fā)生同位相重迭。,（2） 在1, j 遷移反應中，起決定作用的分子軌道是奇碳 共軛體系中含有單電子的前線軌道，1, j 遷移反應 的立體選擇規(guī)則完全取決于奇碳共軛體系自由基中含 有單電子的軌道的對稱性。,激發(fā)態(tài),基態(tài),激發(fā)態(tài),基態(tài),D1,3 -遷移,D1,3 -遷移,D1,3 -遷移,加熱,光照,實例一：寫出下列反應中H*1，j-遷移的反應產(chǎn)物,四 -遷移反應選擇規(guī)則的應用-反應實例,+,(2E, 4Z, 6R)-2-氘代-6-甲基-2,4-辛二烯,(2S, 3Z, 5E)-2-氘代-6-甲基-3,5-辛二烯,(2R, 3Z, 5Z)-2-氘代-6-甲基-3,5-辛二烯,*,*,*,實例二 完成反應式（寫出下列反應的反應條件）,同面遷移,C 1,5 -遷移,構型保持,C1-C9鍵遷移,C 1,5 -遷移,C1-C6鍵遷移,構型保持,H 1,5 -遷移,D 1,5 -遷移 同面遷移,實例三 寫出下列反應的反應產(chǎn)物,C1,3 -遷移,100oC,遷移碳原子構型翻轉,過渡態(tài)的軌道圖形,實例四 完成反應式,100%,理論上3,3 -遷移是可逆的，實際上反應停留在較穩(wěn)定的產(chǎn)物上。,Claisen重排,Cope重排,推廣到C.N.S,實例五：解釋下列實驗事實,赤型產(chǎn)物3%,E型,E型,+,+,+,蘇