周環(huán)反應18綜述

1、周環(huán)反應主要內容一、引言二、周環(huán)反應的分類及理論解釋分類：1. 電環(huán)化反應(electrocyclic reactions)2. 環(huán)加成反應(cycloaddition reactions)3. (T -鍵遷移反應(sigmatropic rearrangement)理論解釋：1. 前線軌道理論2. 分子軌道對稱性守恒3. 芳香過渡態(tài)理論三、總結引言在本科學習過兩類反應：離子反應：通過鍵的異裂而產生的C+、C為中間體 自由基反應：通過鍵的均裂而產生的C為中間體 但是，有沒有其它類型的反應呢？1928年Diels-Alder反應，研究相當深入，應用廣泛但這類反應沒有檢測到反應中間體，不服從上述兩

2、種反應機理，不受溶劑極 性影響，不被酸堿催化，也不受自由基引發(fā)劑或淬滅劑的影響，是一類很特殊的有機反應，一度認為是沒有機理的反應，困惑化學界50多年（從1912年Claisen 反應起）。1958年Vogel報道了一個有趣的反應:120°CCO2Mecis-tra nsMe而得不到更穩(wěn)定的:COCOtran s-tra n或者不穩(wěn)定的:Me2GO Me1961年荷蘭Leiden大學Prof.Haringa 研究己三烯關環(huán)時，得到的是CH、H反式的關環(huán)產物該校Oosterhoff教授認為，加熱和光照所引起的化學反應的立體化學不同可能 是由于受到其他因素（如共軛己三烯的軌道對稱性）的影響

3、，并進一步提出是受 最高占據軌道和節(jié)點數控制的。這一見解Haringa作為腳注發(fā)表在四面體上。這已經接近了分子軌道對稱性守恒大門，可以說已經踏入了一只腳。與此同時，美國Woodwarc和Eschenmoser正領導全世界來自19個國家的100 位科學家進行Vb12全合成工作，歷時12年，于1972年宣告完成，轟動一時，是 有機合成的杰作，傳為佳話。在合成過程中，注意到己三烯在關環(huán)反應中，在光、 熱不同條件下，產物的立體化學完全不同，Woodwarc稱之為“the very pretty set of facts ” (一組絕妙的事實)，他抓住這個事實，深入研究，并與年輕的量子化 學博士后Hof

4、fman合作，發(fā)現了“分子軌道對稱性守恒原理”，或稱W H規(guī)則。 從1965年開始他們在JACS上以Chem.Commu的形式連續(xù)發(fā)表這方面的文章，理 論界一下子就掀起了波瀾，因為從來沒有人這樣認識反應機理。該理論很快得到 響應，并用來解釋D A反應，這些文章同時發(fā)表在 JACS上。與 Woodward發(fā)表 同一內容和同一理論解釋的文章。這種文章太重要了，不能舍棄哪一篇。1970年，Woodward和Hoffman把過去的這類反應收集整理，以高屋建瓴之 勢出版了分子軌道對稱性守恒一書，是這一理論更加系統(tǒng)化、理論化。Woodward( 1917-1979)Havard大學教授，有機合成大師。19

5、65年由于四環(huán) 素的結構研究獲得了 Nobel化學獎1981年 Hoffman由于“分子軌道對稱守恒”獲得了 Nobel化學獎。同年 日本Fukui福井謙一也獲此殊榮，他用 FMO!論來解釋。這是有機化學發(fā)展史上的一件大事，有機化學書上的光輝一章。周環(huán)反應的分類及理論解釋周環(huán)反應pericyclic reactionsW H創(chuàng)造了這一名詞協同反應 concerted reactions周環(huán)反應指經過一個環(huán)狀過渡態(tài)進行的反應。 為基元反應，有一過渡態(tài)。£協同反應指反應物鍵的破裂與生成是同時，協同進行的，不分先后，如Sn2反應周環(huán)反應分為三類:1.電環(huán)化反應2.環(huán)加成反應3.(T -鍵遷

6、移反應周環(huán)反應的理論解釋:前線軌道理論分子軌道對稱性守恒芳香過渡態(tài)理論這三種理論都是以M0理論為依據的，不僅用于解釋周環(huán)反應，正擴大到其 他領域，如加成、取代、催化等反應上。(一)電環(huán)化反應(electrocyclic reactions )定義：鏈狀共軛烯烴分子的兩端形成一個c鍵變成環(huán)狀的分子及其逆反應。hv微觀可逆性原理：對于基元反應，如果正向反應走的是一條能量最低、最有利的途徑，那么它的逆反應也將沿此能量最低的途徑進行，正、逆反應遵循同一反應歷程(1)前線軌道理論(FMO解釋電環(huán)化反應福井歉一在分子軌道理論(M0的基礎上提出：在化學反應的過程中，對分子中舊鍵的斷裂和新鍵的形成起決定作用的

7、是分子的最外層軌道，稱之為前線軌道（FMO。FMO!論的要點： 進行化學反應時起決定作用的是一個分子的最高占據軌道（HOM）O和另一個分子的最低空軌道（LUM） 前線軌道之間發(fā)生作用時，一個分子的 HOM與另一個分子的LUMO、須對稱 性一致，即按軌道正與正，負與負同號重疊； HOM與LUMO勺能量必須接近； 電子云從一個分子的HOM轉移到另一個分子的LUMO轉移的結果必須與反應 過程中舊鍵斷裂、新鍵生成相適應。服從上述4點的反應為對稱允許反應，反之，為對稱禁阻的反應。對于共軛多烯烴的電環(huán)化反應，起決定作用的共軛多烯烴的HOMQ4n體系以2，4-己二烯為例先看一下2，4-己二烯的分子軌道草圖基

8、態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)時，屮2是HOMO最高占據軌道），要使p軌道同相重疊，只能順旋關環(huán)+激發(fā)態(tài)（光照）時，一個電子激發(fā)到屮3,W 3成為HOM,O只能對旋關環(huán)。4n體系的立體選擇性規(guī)律貝電子反應條件方式4n順旋4nhv對旋對于4n+2體系以2， 4， 6-辛二烯為例先看一下它的分子軌道節(jié)點草圖基態(tài)時，屮3為HOMO具有兩個節(jié)點，應該 對旋關環(huán)，才能使位相相同的兩瓣重 疊。在激發(fā)態(tài)時，屮4成為HOMO有三個節(jié)點，應該 順旋關環(huán)4n+2體系的立體選擇性規(guī)律貝電子反應條件方式4n+2對旋4n+2hv順旋由微觀可逆性原理，其開環(huán)反應也是一樣的，例:W 3電環(huán)化反應的立體化學選律取決于 HOM的對稱性及反應條件

9、大量實驗事實證實了這些規(guī)則:順旋環(huán)辛二烯對旋4n+2 對旋順式稠合產物如果按照4n體系，則得到HHH反式稠和，張力太大，不能生成實驗證明，環(huán)辛三烯在80C下，只得到了雙環(huán)產物（I）,未發(fā)現按4n體系關環(huán) 得到的（II ）異構體。再一個例子：38順旋開環(huán)4n穩(wěn)定第二步未按4n順旋關環(huán)，得到反式烯(3, 6位)反式稠和環(huán)丁烯，張力太大(2)能級相關法FMO(即卩 HOMpLUMO,前線軌道理論，簡單，易形象化，但只考慮分子的 但實際上反應分子的n電子能級都要發(fā)生變化。在理論上不是真正令人滿意能級相關法則考慮到了全部參加作用的分子軌道，強調了各個分子軌道的對 稱性分類，建立了反應物和產物之間的能級相

10、互轉換的關系圖，比較全面。這一學說的要點是：參加反應的全部分子軌道經過過渡態(tài)，轉變成產物的分 子軌道，此過程始終遵循軌道對稱性守恒。以1, 3- 丁二烯關環(huán)為例:AASAAS(TSS步驟: 先畫出反應物四個分子軌道（MO,產物四個MO（c,n ，冗*）,按能量從高到低排列。 假設對旋關環(huán)。因為過渡態(tài)要始終保持對稱性守恒，對稱元素為鏡面c反應物 按照此c,把反應物和產物的波函數分類 做連線在做相關圖時，必須服從以下規(guī)則：a、根據對稱性守恒原則，在協同反應中，反應物分子軌道必須轉化為具有相同 對稱性的產物的分子軌道（S-S、A-A），并且要求能級相近。b、不相交原則。兩條S-S或A-A連線不能相交

11、。按量子力學，在相交處，由于 它們的對稱性相同，能量又相近，相互作用很大，會相互排斥而彼此分開。而S-S 與A-A之間由于對稱性不同，他們之間的波函數具有正交性，在相交處的相互排 斥能可以忽略不計，因此是允許相交的。在對旋關環(huán)時，屮2進入n * （n 3 （激發(fā)態(tài)）進入n）因此涉及激發(fā)態(tài)，對 于屮2基態(tài)成鍵軌道，不能與產物的基態(tài)成鍵n相連，這就要求屮2電子先激發(fā)到W3,處于激發(fā)態(tài)，此時反應活化能是比較高的，在一般加熱條件下，由于能 量低，無法實現，必須在光照下，具有足夠的能量提升電子才行。因此，對旋條 件是一一光照。而在順旋條件下，過渡態(tài)的對稱元素是 C2產物同樣按照上述步驟作相關圖:A兀S在

12、順旋關環(huán)時，反應物屮1和屮2基態(tài)成鍵軌道的4個電子進入產物的成鍵n中，不涉及高能量過渡態(tài)，反應條件是(3)芳香過渡態(tài)理論 根據此理論，過渡態(tài)可以像基態(tài)分子一樣分為芳香或反芳香的+如果是一種芳香過渡態(tài)，那就穩(wěn)定，會降低反應的活化能，反應是允許的； 如果是一種反芳香過渡態(tài)，具有較高的活化能，那就要求激發(fā)態(tài)，需要光照條件 反應才能進行。定義芳香性和反芳香性(這與基態(tài)分子不同，參考之)。 對于環(huán)狀共軛多烯的n軌道，在基態(tài)時，位相發(fā)生改變。凡改變1，3，5奇數次的，叫 M?bius體系，“ T次 凡改變0, 2, 4偶數次的，叫Hickel體系，“0”次助W2W4Y6¥3¥5位相改變

13、0次2次4次如果位相改變?yōu)槠鏀荡危ɡ纭?1”次），這種體系就定義為M?bius體系（莫 氏過渡態(tài)）。如果n電子數是4n則為芳香過渡態(tài)，反應在基態(tài)下進行，反應條件 ;如果是4n+2電子體系則為反芳香過渡態(tài)，反應在激發(fā)態(tài)下進行，反應條件 hv。如果位相改變“ 0”、“2”等偶數次，這種過渡態(tài)體系就定義為 Hickel體系。 如果n電子數是4n+2則為芳香過渡態(tài)，反應在基態(tài)下進行；如果是 4n電子體系 則為反芳香過渡態(tài)，反應在基態(tài)下禁阻，在 hv條件下進行。芳香過渡態(tài)理論對電環(huán)化反應的解釋先畫出基組集合軌道丁二烯體系如果對旋關環(huán)，則為如圖所示過渡態(tài)中的位相改變“ 0”次,應為Hickel體系，電子

14、數為4n,屬于反芳香過渡態(tài)，反應條件hv。如果順旋關環(huán)，則過渡態(tài)中的位相改變“1”次，應為M?bius體系，電子數為4n，對應芳香過渡態(tài)，反應條件對于1，3， 5-己三烯體系也做類似的分析先畫出基組集合軌道（W 1）對旋，則位相改變“ 0”次，H tckel體系，電子數為4n+2,屬 于芳香過渡態(tài)，反應條件順旋，則位相改變“1”次，M?bius體系，電子數為4+2n,反 芳香過渡態(tài)，反應條件hv0芳香過渡態(tài)理論，只要求分析基組集合軌道就行，再看不同方式關環(huán)時，所 對應過渡態(tài)的屬性即可。歸納：先畫一組基組集合軌道關環(huán)方式過渡態(tài)種類及過渡態(tài)電子數過渡態(tài) 為芳香或反芳香一確定反應條件這只是一種理論方

15、法，在實際中尚未發(fā)現莫氏芳香體系。FMQ能級相關法（分子軌道對稱性守恒）以及芳香過渡態(tài)理論都能非常圓滿地解釋電環(huán)化反應的 主體化學選律，各有所長，都可以使用。電環(huán)化反應舉例:ClCl4n順旋開環(huán)Clhv對旋開環(huán)C而不是ClClHH對旋關環(huán)而不是張力大稱為杜瓦苯，是苯的價鍵異構體，多年來未能制備出這個不穩(wěn)定的化合物（不是共振結構的杜瓦苯，那是平面的）1963年hv對旋關環(huán)Pb(OAc) 4R制備出，Tamelen & Pappas杜瓦苯，半衰期2天，在25C下變?yōu)楸剑J為是通過雙基中間體實現的，不是協 同反應機理。若按照W-H規(guī)則:JACS 93,6092(1971)離子體系的電環(huán)化反應

16、例如：FMO4n順旋4n+2對旋烯丙基正離子，最簡單的電環(huán)化反應例子對于順式2，3-二甲基環(huán)丙基正離子體系，在加熱的情況下，有兩種對旋開環(huán)方式:+向外對旋開環(huán)對比：由于空間因素，使甲基彼此遠離的對旋方式（即向外對旋）應占優(yōu)勢 比較：在100 C下，幾種對甲苯磺酸環(huán)己酯乙酸解的反應速度：對旋開環(huán)相對速度HOTs（山）41, 000如果環(huán)丙基正離子的形成是決定速度的步驟，即SN1反應，則II應比III更活潑，因為在II中，OTs和兩個甲基的相互作用，如果形成正離子更容易解除張力 事實上相反。在C2 C3之間彎鍵（環(huán)丙烷，香蕉鍵，有較強p性質，伸展）逐漸發(fā)展出來的p軌道與OTs離子從背后逐漸發(fā)展出的

17、空的p軌道形成二電子三中心體系，有離域作用，穩(wěn)定而在II中，如果C2、C3兩個甲基向外轉，所發(fā)展的C1離去基團可發(fā)展出來的空p軌道不能交蓋（方向正 向內轉才行，這當然是不利的。S 二個p軌道與.好相反），只有當有環(huán)稠合時，情形又不同了:150 C下，3個月，產物張力大此反應比上一反應至少快2*10 6倍,4n+2對旋H環(huán)辛二烯鋰反式稠合，構象不穩(wěn)定（二）環(huán)加成反應（Cycloaddition Reactions ）定義：兩個或多個n體系互相作用，通過環(huán)狀的過渡態(tài)生成環(huán)狀分子的反應,叫環(huán)加成反應。最常見的是（4+2）和（2+2）（1）關于（2+2）用FMO來解釋。注意一個分子用HOMO另一個分子

18、用LUMO基態(tài)下HOMOLUMO異面加成，軌道扭曲，過渡態(tài)張力大，實際上不可能如果在光照條件下，受激分子的屮2成為HOM,O另一基態(tài)分子屮2為LUMOHOMO（受激分子）hvLUMO（基態(tài)分子）同面加成2+2反應立體選擇性異面加成hv同面加成簡單烯烴2+2在光照條件下，雖然同面加成允許，但是，產物比較復雜，而 且反應可能不是協同的（光化學會涉及）。2+2沒有實用意義用芳香過渡態(tài)理論解釋2+2對于同面加成：先畫基組集合軌道， 假定同面加成，位相不變，屬休氏體系，4個電子體系，反芳香過渡態(tài)，hv是允許的（是禁阻的）相改變（但幾對于異面加成：先畫基組集合軌道，假定異面加成，則位一次，屬莫氏體系，4n

19、電子，芳香過渡態(tài)，是允許的 何上不允許）例外:2+2反應，中間對于烯酮類化合物RCH=C=與烯在加熱條件下可以實現異面的C為sp雜化，不擁擠。SLSSLHOMOLUMOO用來制備一些高度受阻的化合物例:2C2H5O、4 3CCOOW H認為，R.R. + -C= C O CCOR 一R-由于烯酮強親電性，可能存在C+,三價，有一空的p軌道，這樣就能使得乙烯HOMO 易于與之接近，加強了相互作用，有利于成鍵，而其它簡單烯烴不具備此條件。二烯die ne+親二烯體die no phile加成物adduct在此反應中，兩個n鍵消失,同時形成兩個新的c鍵,由于c鍵比n鍵穩(wěn)定,(2) 4+2Diels-

20、Alder反應，在理論上和實踐上都非常重要。這類反應一般是放熱的。產物更穩(wěn)定。在高溫下，多數D-A反應是可逆的理論解釋:FMO法HOMOLUMO這樣的軌道組合，同面加成是允許的芳香過渡態(tài)理論解釋6個電先畫基組集合軌道，同面加成，位相不變，屬休氏體系,子體系，芳香過渡態(tài)，是允許的能級相關法解釋同面，順式加成Ei= a +1.618卩* AE2= a +0.618 Ba屮4 A反應物MO E3= a -0.618 BE4= a -1.618 B如何處理產物的軌道呢?對稱面對稱面(T 1> 丄>>CTl+C 2(T 1-(T 2又不是反對稱的C成鍵軌道組合起相對于分子的對稱面而言既

21、不是對稱的, 來，變成對稱或反對稱的關系。兩個反鍵軌道C 1*、(7 2*也同樣處理(T 1 Sn( S)n * A 7 1* S(T2* A(T 2 A產物MOSS(T 2CT 1軌道按對稱性分類作連線W 3W 2n乙W1看看是涉及基態(tài)還是激發(fā)態(tài)，此六個電子，均為基態(tài)，反應條件是(a) D-A反應的動力學動力學測定D A反應是二級反應v=k二烯親二烯體逆反應是一級反應v=k加成物從動力學表達式看，其與協同反應是一致的。但在某些情況下，不排除分步 反應的可能性，即有中間體、離子或自由基(表現是產物非立體專一)。此時如果是極性機理，那么可以預料對溶劑極性影響應該是敏感的。(b) 方位選擇性如果二

22、烯或親二烯體不對稱，則有方位選擇性問題。OCH3OCH3哪一種產物是主要的呢？鄰位還是間位產物？用FMO!論解釋這個問題雙烯的HOM和親雙烯體的LUMC之間有最強的相互作用HOMO LUMO鄰位為主間位為次當X為推電子基團，丫為吸電子基團，這是最常見的，比較有利的反應。此時,親雙烯體的LUMO勺C2和雙烯C1上的分子軌道系數大，相互作用強，易于靠近,C1-C2成鍵有利。當X位置不同時:增強D-A反應的方位選擇性還有一個方法，就是添加Lewis酸xco2ch3meta productPara productco2ch3co2ch325 C ,41d70%10-20 C ,3h95%1mol%AI

23、CI 3這是由于Lewis酸與親雙烯體形成絡合物，降低了親雙烯體的30%5%LUMO能級，從而與雙烯體的HOM更接近(c) 二烯的活性二烯必須采取S-順式構象，才有利于形成環(huán)狀過渡態(tài)S-tran sTS-tra nsS-cis空間因素CH 3CH 3快103倍，非鍵張力大。則不影響環(huán)加成，有利于采取S-Cis構象如果不反應。貝U不能米取S-Cis構象，排斥力太大了,環(huán)戊二烯是非常有用的，比鏈狀二烯還好，一般是二聚體。使用前現蒸餾即常用的二烯體：丁二烯及其衍生物，環(huán)戊二烯，呋喃，環(huán)己二烯，蒽等(d) 親二烯體的活性i.當二烯體上有給電子基團，親二烯體上有吸電子基團時，對反應有利，這種電 子基團的

24、互補要求 normal electron demond 。(二烯用HOMOL親二烯體用LUMO反應也可以進ii.反之，當二烯上有吸電子基團，親二烯體上有給電子基團時,行，inverse electron demond 。r 二烯用LUMO親二烯體用HOMO常用的親二烯體：O順丁烯二酸酐OORCH=CHX 其中，X=O(NC)2C=C(CN) 2-CN -NO2炔類：F3CC三CCF3艾氏劑，殺蟲劑(e) 立體化學D A具有高度立體專一性順式加成規(guī)則+順，內向+R02C反式-內向二烯和親二烯體的立體化學都是保持的CHEn do- 76%CH3exo- 24%CO2CH3Endo-主要產物 exo

25、-次要產物用FMO解釋2HOMO4LUMO實線 primary orbital in teract ion虛線 sec on dary orbital in teractio n因此內向加成時，過渡態(tài)有 primary orbital in teractio n作用，還有次級軌道位相也合適，有利于接近，此時活化能降低些，是動力學控制反應。在高溫下，反應受產物穩(wěn)定性控制的，是熱力學控制反應。動力學和熱力學控制反應的概念:?動力學控制反應,存在著不同進程的反應，速度快而體系沒有受穩(wěn)定能（產 物的熱力學控制）支配的反應。?熱力學控制反應，時間足夠長，受穩(wěn)定能支配的反應。內向外向應用舉例斑蝥素Can

26、tharidi neO斑蝥素，認為空間障礙的關系，不能反應，構型對頭實際合成路線Title 對稱三嵌環(huán)戊烯H HCO?Me4+2 :NCO2MeN分子內| 4+2hv-N2+ IN、O2MeCO2Me 對于（4+2）熱協同D-A反應早已熟知，但更高系列尚未得知:Houk & Woodward, JACS 92,4145(1970)報道6+495%F 鹵代烯與丁二烯反應不是（4+2）類型，而是得到環(huán)丁烷FF _125 C90% */也不是（2+2）異面加成，而是通過雙基中間體此中間體由于鹵素作用穩(wěn)定1, 3-偶極環(huán)加成（dipolar cycloadditi on react ion）環(huán)

27、加成反應不限于中性分子，1, 3-偶極分子也有類似于4+2的反應1, 3-偶極環(huán)加成反應類似D-A反應，是協同反應。1, 3-偶極分子一般含有在三個原子上四個電子的n體系 立體化學上也類似D-A，是順式加成的。常見的1, 3-偶極分子Nitrile oxide azidesdiazometha neRCN6RCNO "+ -e- »-<RNNN=H2 CNNn itr ones硝酮類n itrilim ines睛亞胺RCN-NR蟲一 RC例如：N/ch2n2ZMeO 2CCO 2MeMeO 2CCO 2Mer2c=N O RRr2CD-A 一樣能夠滿足電立體化學選律即

28、考慮電子因素，也考慮空間因素，如同 子互補要求最好。常用于鑒定烯烴結構的臭氧化反應第一步Criegee認為第一步是環(huán)加成反(T -鍵遷移反應(sigmatropic rearrangement )定義：指單鍵上的原子或基團從共軛體系的一端移向另一端的協同重排反應。1，3遷移Z是遷移的基團，為氫原子或烷基。1一一6i，i=j表示遷移后c鍵所連接的兩個原子的位置。Cope重排反應23不表示從i遷移至j。j=3，3遷移對于遷移的基團，從主體化學角度來看，可以是同面的或異面的解釋用FMO 1 , 3遷移可以看成是一個氫原子和一個烯丙基自由基的HOM來看待。2是HOMO 4n異面遷移但是幾何上不允許，張力大用芳香過渡態(tài)理論解釋W3為HOMOn同面遷移允