前線分子軌道理論與反應

關于前線分子軌道理論與反應第1頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月有機化學反應的本質(zhì)分子軌道舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成分子原子

化學鍵組成分子的原子重新組合形成新的分子分子軌道重新組合的過程第2頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月有機化學主要反應機理類型有機反應的類型：

離子型反應自由基型反應周環(huán)反應協(xié)同反應:反應過程中不存在任何中間體，鍵的形成與斷裂是同時進行的，只經(jīng)過一個過渡態(tài)的反應如SN2,E2和Diels-Alder反應。周環(huán)反應:在化學反應過程中,能形成環(huán)狀的過渡態(tài)的協(xié)同反應。▼分析周環(huán)反應和離子反應、自由基反應不同，要使用分子軌道理論第3頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月離子型反應

自由基型反應

穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的中間體周環(huán)反應前線分子軌道理論描述周環(huán)反應的過程第4頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月周環(huán)反應的特征①反應過程中沒有自由基或離子等活性中間體產(chǎn)生，為多中心的一步完成的協(xié)同反應。②反應不受溶劑極性影響，不被酸堿所催化，也不受自由基引發(fā)劑和抑制劑的影響。③反應進行的動力是加熱或光照。④反應具有高度的立體專一性，加熱和光照下分別生成不同的立體異構體。第5頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月周環(huán)反應第6頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月周環(huán)反應的分類電環(huán)化反應環(huán)加成反應遷移反應第7頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月周環(huán)反應的理論基礎分子軌道對稱守恒原理的中心內(nèi)容：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著化學反應的進程，在一個協(xié)同反應中，分子軌道對稱性守恒。理論基礎

1.軌道能級相關圖2.前線軌道理論3.Hückel-M?bius芳香過渡態(tài)理論。分子軌道對稱守恒原理第8頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月前線軌道理論

前線軌道和前線電子最高占有軌道HOMO

最低未占有軌道LUMO

前線軌道理論的中心思想

前線軌道FOMO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．第9頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電環(huán)化反應第10頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1234HOMOLUMOLUMOHOMO1,3-丁二烯在加熱條件下，HOMO為ψ2，LUMO為ψ*3;而在光照下,發(fā)生電子躍遷,ψ*3為HOMO,ψ*4為LUMO。4n電子體系第11頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4n電子體系在加熱情況下順旋對稱允許，對旋對稱禁阻．4n電子體系在光照情況下對旋允許，順旋禁阻．加熱情況下（基態(tài)）：光照情況下（激發(fā)態(tài)）：順反內(nèi)向外向4n體系電環(huán)化反應小結:加熱-順旋,光照-對旋第12頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4n+2電子體系

基態(tài)激發(fā)態(tài)第13頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4n+2電子體系在加熱情況下對旋允許；4n+2電子體系在光照情況下順旋對稱允許．加熱情況下（基態(tài)）：光照情況下（激發(fā)態(tài)）：內(nèi)向?qū)π庀驅(qū)π槙r針順旋反時針順旋4n+2體系電環(huán)化反應小結:加熱-對旋,光照-順旋第14頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Woodward-Hoffmann規(guī)則第15頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Woodward-Hoffmann規(guī)則:4n電子體系加熱順旋、光照對旋結構轉(zhuǎn)化(4n體系)第16頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Woodward-Hoffmann規(guī)則:4n+2電子體系加熱對旋、光照順旋結構轉(zhuǎn)化(4n+2體系)第17頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月影響電環(huán)化的因素①空間位阻空間位阻大的不易形成位阻較大位阻較小第18頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月②熱力學穩(wěn)定性

電環(huán)化反應是可逆反應，反應向哪一方向進行取決于共軛多烯烴和環(huán)烯烴的熱力學穩(wěn)定性。環(huán)丁烯由于環(huán)的張力較大，與1，3-丁二烯相比是不穩(wěn)定的體系，因此，在熱反應中通常只觀察到環(huán)丁烯的開環(huán)。丁二烯關環(huán)成環(huán)丁烯的反應，只知道很少幾個例子：Z，E-1，3-環(huán)辛二烯由于含有環(huán)內(nèi)反式雙鍵，張力很大，加熱到80度可以環(huán)化

第19頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月但在光的作用下，丁二烯及其衍生物按對旋的方式變?yōu)榄h(huán)丁烯及其衍生物。這一反應大多數(shù)是形成關環(huán)化和物，而逆向開環(huán)反應則不易發(fā)生。這是由于雙烯比烯吸收光的力量更強，因此雙烯容易被激化。由于逆向反應是熱禁阻的，所以應當預料到，產(chǎn)物非常穩(wěn)定。這是合成環(huán)系的有效方法。③光穩(wěn)定性第20頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電環(huán)化反應在有機合成中的應用第22頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)加成反應[4+2]

環(huán)加成反應[2+2]

環(huán)加成反應1,3-偶極環(huán)加成反應環(huán)加成反應:在光或熱的作用下,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)狀化合物的反應第23頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月分子間進行協(xié)同反應的原則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。②當兩個分子相互作用形成σ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。第24頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月[2+2]環(huán)加成乙烯與乙烯的[2+2]環(huán)加成加成反應:在加熱時，由于HOMO與LUMO的對稱性不匹配，不能反應；在光照時，激發(fā)態(tài)的HOMO與基態(tài)的LUMO的對稱匹配，能發(fā)生反應．第25頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月基態(tài)(加熱)：乙烯A的HOMOψ1乙烯B的LUMOψ2加熱條件下的[2+2]環(huán)加成是軌道對稱性禁阻的途徑第26頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月激發(fā)態(tài)(光照)：(激發(fā)態(tài))乙烯B的HOMOψ1(基態(tài))乙烯A的LUMOψ2光照條件下的[2+2]環(huán)加成是軌道對稱性允許的途徑第27頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月[4+2]環(huán)加成反應

德國有機化學家Diels和Alder發(fā)現(xiàn)該反應，稱為Diels-Alder反應，又稱雙烯合成反應。兩人同時獲得1950年諾貝爾化學獎。反應條件：加熱

該反應是可逆的，正向成環(huán)反應的溫度較低，逆向開環(huán)反映的溫度較高，是共軛二烯烴特有的反應．合成六元環(huán)狀化合物的重要方法．第28頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月基態(tài)時乙烯與丁二烯的FOMO

參與加成反應的是一個分子的HOMO和另一個分子的LUMO，電子由一個分子的HOMO流向另一個分子的LUMO。兩分子相互作用時，軌道必須同相重疊。兩作用軌道能量必須接近。正常的Diels-Alder反應由雙烯體提供HOMO，親雙烯體提供LUMO。第29頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱允許的[4+2]環(huán)加成基態(tài)(加熱)：丁二烯：乙烯:加熱條件下的[4+2]環(huán)加成是軌道對稱性允許的途徑第30頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月激發(fā)態(tài)(光照)：丁二烯：乙烯:情況一：丁二烯激發(fā)乙烯不激發(fā)。光禁阻的[4+2]環(huán)加成第31頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月丁二烯：乙烯:情況二：乙烯激發(fā)丁二乙烯不激發(fā)。光照條件下的[4+2]環(huán)加成是軌道對稱性禁阻的途徑。光禁阻的[4+2]環(huán)加成第32頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)加成反應的規(guī)律π電子總數(shù)熱反應光反應4n[2+2]等禁阻允許4n+2[4+2]等允許禁阻環(huán)加成反應為順式加成。逆反應的規(guī)律與環(huán)加成規(guī)律相同。第33頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月一、加成方式1.同面/同面環(huán)加成（s+s）反應在π鍵的同一面發(fā)生，生成的新鍵處于反應體系的同一面叫同面加成。環(huán)加成反應的立體化學規(guī)則第34頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月π4S+π2S

產(chǎn)物里丁二烯與乙烯部分的構型保持不變2.同面/異面加成（s+a）反應在π鍵的異側(cè)進行，生成的新鍵在反應體系的相反兩面叫異面加成。采用異面加成的分子在產(chǎn)物里的構型發(fā)生反轉(zhuǎn)第35頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.異面/異面環(huán)加成（a+a）(a+a)兩分子在產(chǎn)物中的構型都發(fā)生翻轉(zhuǎn)二、芳香過渡態(tài)理論的解釋1．同面/同面的環(huán)加成第36頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月位相變化兩次（或零次），屬于休克爾環(huán)，總π電子數(shù)（4n+2)π為加熱允許，而4nπ為加熱禁阻。nm總π電子數(shù)表達式A/F016π2S+π4SA0310π2S+π8SA1210π4S+π6SA004π2S+π2SF028π2S+π6SF(m+n)為偶數(shù)時，為4nπ電子，熱禁阻；(n+m)為奇數(shù)時，為(4n+2)π電子數(shù)，熱允許第37頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同面/異面環(huán)加成位相變化一次，莫氏環(huán)，n+m為偶數(shù)時，為4nπ電子，熱允許；n+m為奇數(shù)時，π電子數(shù)為4n+2，熱禁阻兩個乙烯分子以相互垂直的方式（π2S+π2a）進行環(huán)加成，理論上是熱允許的。第38頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月但由于空阻大，實際上反應是不能發(fā)生的三、前線軌道理論對環(huán)加成的解釋（一）[4+2]1.同面/同面環(huán)加成第39頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（π4S+π2S）熱允許（π4S+π2S）熱允許2.同面/異面環(huán)加成第40頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月π4s+π2a

π4a+π2s

熱禁阻π4s+π2a

π4a+π2s

熱禁阻第41頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4π+2π對s+a是熱禁阻，但光照下是允許。1,3-丁二烯基態(tài)激發(fā)態(tài)乙烯

基態(tài)激發(fā)態(tài)第42頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月π4s+π2a

光允許π4a+π2s

光允許

重大一級微擾作用發(fā)生在基態(tài)分子的HOMO與激發(fā)態(tài)分子低能SOMO(即激發(fā)態(tài)HOMO)之間或基態(tài)的LUMO與激發(fā)態(tài)的高能SOMO(即激發(fā)態(tài)的LUMO)之間。第43頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)丁二烯用基態(tài)HOMO或LUMO，而丁二烯用激發(fā)態(tài)SOMO軌道，結論相同。光允許π4a+π2s

光允許π4s+π2a

π4s+π2s光照下是禁阻第44頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）乙烯+乙烯（2π+2π）1.同面/同面π2s+π2s熱禁阻π2s+π2s光允許第45頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同面/異面π2s+π2a熱允許π2s+π2a光禁阻第46頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

在環(huán)加成中如果可能有兩種異構體加成物，則在過渡態(tài)中不飽和單元彼此靠近的那個異構體形成較快。內(nèi)式（主）外式（次）過渡態(tài)羰基與二烯的π電子作用較強最大不飽和度規(guī)則（內(nèi)式加成）第47頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月作用較弱（在高溫時為主要產(chǎn)物，是熱力學控制產(chǎn)物）。五、Diels-Alder反應的順式加成規(guī)則π2s+π4s順式與內(nèi)式加成第48頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月[4+2]環(huán)加成反應的規(guī)律:

當雙烯體上有給電子基團時，會使其HOMO能量升高，而親雙烯體的不飽和碳原子上連有吸電子基團時，會使它的LUMO能量下降，反應容易進行．雙烯體親雙烯體

當雙烯體上有吸電子基團時，會使其LUMO能量下降，而親雙烯體的不飽和碳原子上連有給電子基團時，會使它的HOMO能量升高，反應也容易進行．第49頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

只有當雙烯體及親雙烯體上的取代基均為給電子基或均為吸電子基時，間位產(chǎn)物才可能變?yōu)橹饕a(chǎn)物，但反應速率很慢．第50頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月[4+2]環(huán)加成反應產(chǎn)物的構型：

Diels-Alder反應是立體專一性的順式加成反應，共軛二烯和親雙烯體中的取代基的立體關系均保持不變．保持構型第51頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月雙烯合成的方位選擇性（區(qū)域選擇性）

1-位取代二烯，當取代基X為給電子基團時，與雙鍵上有吸電子基的親雙烯體起反應，主要生成“鄰”位加成產(chǎn)物．

2-位取代二烯，當取代基X為排斥電子基團時，與雙鍵上有吸電子基的親雙烯體起反應時，主要生成“對”位加成產(chǎn)物．＋１：６

第52頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

在加成反應中要求共軛二烯必須以S－順式構象存在才能發(fā)生反應．第53頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1,3-偶極環(huán)加成反應

臭氧,重氮化合物和疊氮化合物等1,3-偶極化合物可看成為4n體系，它們與親雙烯體反應是對稱允許的，生成五元雜環(huán)化合物．腈氧化物重氮化合物重氮烷化合物第54頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

反應是協(xié)同的同面[4+2]反應，反應物為1,3-偶極分子和親偶極體。1,3-偶極分子的1和3原子帶有相反電荷，具有離子結構。1,3-偶極加成的立體化學為順式加成1,3-偶極加成第55頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月σ遷移反應同面遷移：遷移的原子或基團在π體系的同一側(cè)生成新鍵異面遷移：遷移的原子或基團在π體系的另一側(cè)生成新鍵發(fā)生同面遷移或異面遷移取決于π體系的軌道對稱性在化學反應中，一個σ鍵沿著共軛體系由一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，同時伴隨著π鍵轉(zhuǎn)移的反應稱為σ遷移反應。第56頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月一個由σ鍵連結的基團通過重排到達π-共軛體系的末端，同時雙鍵移位。[1，j]-σ遷移σ鍵從兩個π共軛體系的始端移到終端，同時雙鍵移動。

3.[i，j]-σ遷移1’2’3’321123第57頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月如果在整個反應過程中，遷移基團始終保持在共軛π體系的同一面的遷移叫同面遷移。同面遷移第58頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月在遷移過程中遷移中基團遷向共軛π體系的反面叫異面遷移。5．異面遷移異面構型翻轉(zhuǎn)遷移(av)Migrationofantarafacilretention第59頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

氫的s軌道為球形對稱，無構型問題，存在同面遷移和異面遷移.當過渡態(tài)的環(huán)大于八元環(huán)時，可能發(fā)生異面遷移11.3.2允許與禁阻的條件1．氫遷移[1,3]同面氫遷移的過渡態(tài)為休克爾環(huán)，4電子，反芳香性，熱禁阻，但在光照條件下是允許的。第60頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月[1,3]異面氫遷移的過渡態(tài)為莫比烏斯環(huán)，芳香性，熱允許.由于立體因素，發(fā)生異面遷移的可能性較小。[1,5]同面氫遷移,芳香性,熱允許的,光禁阻的。相反[1.5]異面遷移是熱禁阻的，光允許。第61頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月[1,7]同面氫遷移，休克爾環(huán)，反芳香性，是熱禁阻。[1,7]異面氫遷移，莫氏環(huán)，芳香性是熱允許的。結論:[1,j]氫遷移，1+j=4n，同面是熱禁阻的，異面是熱允許；

1+j=4n+2，同面是熱允許的，異面是熱禁阻的。第62頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

烷基遷移遷移方式過渡態(tài)所屬體系選擇規(guī)則i+j=4ni+j=4n+2sr休氏熱禁阻熱允許si莫氏熱允許熱禁阻ar莫氏熱允許熱禁阻ai休氏熱禁阻熱允許第63頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月[3，3]遷移[i，j]遷移[3.3]-遷移發(fā)生同面/同面遷移時，其過渡態(tài)為休氏環(huán)，6電子，芳香性，熱允許，光禁阻；當發(fā)生同面/異面遷移時，其過渡態(tài)為莫氏環(huán)，6電子，反芳香性，熱禁阻，光允許；一般情況上發(fā)生異面/異面遷移的可能性極小。第64頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇規(guī)則[i,j]遷移的電子數(shù)同面/同面同面/異面異面/異面4n熱禁阻熱允許熱禁阻4n+2熱允許熱禁阻熱允許Claisen重排（烯丙基乙烯基醚重排）Claisen重排為分子內(nèi)重排第65頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月ClickReaction:Whatisclickchemistry?ClickChemistryisanewmethodofcombinatorialchemistryonthebasis

ofheteroatomlinksC—X—C.

Thegoalistoachievemoleculardiversityofawiderangewithsomesimple,reliableandselectivereaction.

研究領域

:手性催化氧化2001年獲得諾貝爾化學獎

Angew.Chem.Int.Ed.2001,40:2004-2021.第66頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月點擊化學的反應類型:

環(huán)加成反應

Diels-Alder(D-A)反應;

TuncaU,etal.Macromolecules,2007,40:191—198.張力雜環(huán)與親核試劑的開環(huán)反應

FokinVV,Chem.Rev.,2009,109:725—748.第67頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月點擊化學的反應類型

碳碳多重鍵的加成反應

環(huán)氧化作用、二羥基化反應、氮雜環(huán)丙烷化反應等等硫醇-烯化學反應（thiol-enechemistry）

反應無需金屬催化劑；可以在無溶劑條件下進行；并且能夠通過光引發(fā)和控制。

HawkerCJ,J.Am.Chem.Soc.,2008,130:5062—5064.第68頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1,3偶極環(huán)加成反應高效的手性催化劑點擊化學的反應類型

第69頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月點擊化學的反應類型:

羰基化合物的縮合反應

醛（酮）與二醇在酸性條件下縮合形成縮醛（酮）

醛（酮）與氨的衍生物反應形成腙、肟和脲

KrishnanV,etal.CrystalGrowth&Design,2007,7:668—675.第70頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月點擊反應的特征:

反應原料容易獲得、應用范圍廣。具有較高的熱力學驅(qū)動力，通常大于20kcal/mol；反應條件簡單溫和，外界不利環(huán)境（如氧氣和水等）不影響反應，甚至會加速反應；產(chǎn)率接近定量、區(qū)域與立體選擇性好、可以兼容各類功能或生物活性官能團；不需要溶劑或使用易于分離的溶劑，如水；產(chǎn)物分離方法簡單，副產(chǎn)物容易除去；第71頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月點擊化學的應用:

點擊化學在光電功能分子材料中的應用有機/聚合物半導體材料

其它光電功能分子材料

點擊化學在有機功能超分子結構與信息系統(tǒng)中的應用分子機器系統(tǒng)分子識別與傳感

新型非線性光學材料超分子聚集體與分子自組裝第72頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月點擊化學在新型非線性光學材料中的應用非線性光學(NLO)材料：研究熱點：探索新型的具有NLO活性的材料如有機聚合物等。研究方法：通常通過引入隔離基團將有機發(fā)色團的高b值轉(zhuǎn)化為聚合物材料的宏觀高NLO活性。研究難點：隔離基團與發(fā)色團如何相連接？WuhanUniVersity,JinguiQin*,

Macromolecules2006,39:8544-8546.theNLOpropertiesofthepolymersdonotalwaysincreaseaccompanyingwiththeenlargementoftheisolationgroupslinkedtothecorrespondingchromophoremoieties.第73頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月銅(I)催化的1，3