有机反应机理第八章二

1、8.3 周环反应的机理和立体化学,例如，Diels-Alder反应就有可能按以下两种不同的 机理进行,环加成反应、电环反应以及-迁移重排等反应不仅 可以按协同机理进行，也可按分步机理进行,Diels-Alder反应的可能机理,前一机理为协同机理，后一机理为分步的双自由基 机理,周环反应机理研究的一个重要内容就是如何区分 协同机理和分步机理,区分协同机理和分步机理的方法,活化体积的测定(见2.6.3节,动力学同位素效应的测定(4.1节,用电子自旋共振检测自由基中间体(6.2节,研究反应的立体化学,如果反应按协同机理进行，由于分子轨道对称守恒 的要求，反应往往具有高度的立体选择性,本节根据周环反应

2、的普遍规则，讨论环加成反应， 电环反应和-迁移重排反应的机理和立体化学,8.3.1 环加成反应,1) 2+2环加成反应,乙烯及其衍生物之间通过2+2环加成形成环丁烷 及其衍生物的反应通常难以进行,如果反应按同面-同面 方式进行是对称性 不允许的,如果反应按同面-异面 的方式进行， 轨道之间空间上又难以接近,如果烯烃双键上基团的位阻非常小，也可发生协同 方式的 环加成，即一个组分以异面的 方式参与反应,烯酮衍生物R1R2C=C=O分子中的一个双键碳原子以 sp杂化与氧相连，位阻小，是一个理想的异面组分， 与烯烃加成生成环丁酮衍生物,反应生成烯烃碳原子构型保持的产物，表明反应为协同反应,二苯基烯酮

3、与取代苯乙烯加成生成环丁酮衍生物,S=84Jmol-1K-1,0.73,反应无明显的溶剂效应,协同机理？分步机理,2) 2+4环加成反应,2+4环加成反应中最著名就是Diels-Alder反应,以同面方式进行的2+4环加成反应是基态允许的 反应，生成稳定的环己烯衍生物，反应可以在温和 的条件下进行,数以千计的Diels-Alder反应的结果表明，反应具有 高度的立体选择性，得到二烯和亲二烯试剂碳原子 构型保持的产物,说明在绝大多数场合，反应是按协同机理进行的,环状二烯与亲二烯试剂加成时，生成两种立体异构 的产物,亲二烯试剂上的取代基与环己烯分子中新生成的 碳-碳双键互为顺式，称为内型(endo

4、)产物,亲二烯试剂上的取代基与环己烯分子中新生成的 碳-碳双键互为反式，称为外型(exo)产物,内型规则(endo rule,当环状二烯与含不饱和基团的环状亲二烯试剂反应 时，产物往往以内型为主,例如，以上反应内型产物占绝对优势，外型产物的比例1.5,环二烯与开链的亲二烯试剂反应时，则不一定遵守 内型规则,例如环戊二烯与2-取代丙烯酸的加成反应,Woodward和Hoffmann认为，内型规则可以用前线 轨道理论解释,Diels-Alder反应中，二烯组分通常有供电基，亲二烯试剂通常含吸电基,过渡态二烯的HOMO轨道与亲二烯试剂的LUMO轨道作用比较合理,按内型规则反应，过渡态二烯组分HOMO

5、轨道与 亲二烯试剂LUMO轨道的作用如下图所示,按形成外型产物的方式反应，过渡态二烯组分的 HOMO与亲二烯试剂的LUMO轨道的作用如图所示,次级轨道相互作用解释内型规则,在上图a中，除了正常的轨道相互作用外，亲二烯 试剂分子中不饱和基团的p轨道与二烯的HOMO轨道 之间还可以发生“次级轨道相互作用”(secondary orbital interaction)，降低过渡态的能量,正是因为这种次级轨道相互作用才导致含不饱和 基团的亲二烯试剂与环二烯加成时服从内型规则,对于某些Diels-Alder反应，实验测定的活化体积 V比反应的体积变化V0还要负,这是过渡态存在次级轨道相互作用的实验证据

6、(2.6.3节,1,2-和1,4-位取向,Diels-Alder反应的另一立体化学特征,含有取代基的二烯组分与亲二烯试剂反应时，通常 生成取代基互为1,2-位或互为1,4-位的产物,为什么当R1为羧酸盐时1,3-位产物比例增加,这一位置选择性可用前线轨道的轨道系数解释,1,2-位取向,1,4-位取向,二烯与亲二烯试剂反应时，轨道系数大的原子倾向 于与轨道系数大的原子结合。因而主要生成1,2-和 1,4-位产物,1,3-偶极环加成,1,3-偶极环加成是具有偶极特征的三原子四电子 体系与烯烃的加成，是一类重要的2+4环加成反应， 在合成中有广泛的应用,例如，由硝基烯与亲二烯试剂加成可合成氮羧酸酯，

7、 氮羧酸酯又可作为四电子三中心体系与亲二烯试剂 发生环加成，生成双环化合物,解释以下反应的机理,烯烃的臭氧分解实际上也是通过1,3-偶极环加成 反应和逆-1,3-偶极环加成反应进行的,反应过程可表示如下,8.3.2 电环反应,电环反应包括电环闭环和电环开环，二者互为 逆反应，可用以下反应通式表示,式中n表示体系的碳原子数,电环反应的平衡偏向于哪一方取决于反应物和产物 的结构和相对稳定性,例如，己三烯(n=4)闭环生成稳定的环己二烯，平衡 偏向于闭环一方,而丁二烯闭环生成张力大的环丁烯，平衡偏向于开环一方,1) 环丙体系的开环,环丙基正离子、负离子和自由基开环的轨道相关图 如下图所示,讨论环丙基

8、正、负离子开环的方式,由图可见，对于环丙基正离子，对旋开环是对称性 允许的反应,对于环丙基负离子，顺旋开环为对称性允许的反应,对于环丙基自由基的开环，由轨道相关图不能作出 明确结论,环丙体系环张力大，经由环丙基正离子的反应很 容易通过电环开环生成烯丙基正离子,对旋？顺旋,氮杂环丙烷的开环,以下氮杂环丙烷衍生物在100下开环，产生的中间体与2-丁炔二酸二酯发生1,3-偶极环加成，立体专一的生成五元氮杂环衍生物,顺旋？对旋？为什么,氮杂环丙烷由于氮原子上有孤电子对与环丙基 负离子具有等电子结构，因此按顺旋方式开环,2) 环丁烯的开环,由于环张力的存在，环丁烯的开环也是热力学上 有利的反应(G0 0

9、,根据周环反应的普通规则，环丁烯顺旋开环可表示 为 ,是对称性允许的反应,对旋开环可表示为 ，对称性不允许,顺旋?对旋,例如，顺-3,4-二甲基环丁烯开环生成E,Z-2,4-己二烯,而反-3,4-二甲基环丁烯开环生成E,E-2,4-己二烯,丁二烯衍生物9在加热的条件下可转变成异构体10， 但是，即使将9在124加热51天，也不能检测到 异构体11和12，为什么,分析,反应可能按以下电环闭环和电环开环的途径进行,单环环丁烯衍生物容易开环，而二环3.2.0庚-6-烯在260下仍能稳定存在，为什么,分析,因为对称性允许的顺旋开环会导致生成含有反式 双键的环烯烃，立体化学上不利，而对旋开环又是 对称性

10、不允许的,3) 戊二烯体系的闭环,戊二烯基正离子和负离子很容易闭环形成稳定的 五元环产物,例如，戊二烯醇17a和17b在强酸中质子化脱羟基 形成戊二烯正离子，后者立体专一地闭环形成五元 环产物,顺旋?对旋,戊二烯基负离子18闭环生成顺式稠合的桥环化合物,顺旋?对旋,根据分子轨道对称守恒原理，戊二烯基正离子的 闭环应按顺旋方式进行，戊二烯基负离子的闭环 应按对旋方式进行,实验结果与理论预测的一致,4) 形成六元及六元以上环的闭环反应,根据周环反应的普遍规则，己三烯对旋闭环可表示 为 ，是对称性允许的反应,顺旋闭环则为 ，对称性不允许,E,Z,E-辛-2,4,6-三烯(19)在130发生闭环反应，

11、生成 顺-5,6-二甲基-环己-1,3-二烯(20,对旋？顺旋,解释以下反应,分析,反应由辛四烯的顺旋闭环和产物环辛三烯的对旋 闭环两步构成,8.3.3 -迁移重排,常见的迁移重排有1，n迁移，3，3迁移， 5，5迁移等,对于1，n迁移来说，当n为奇数时，涉及的是中性 分子的迁移重排，例如1，3迁移，1，5迁移， 1，7迁移等,当n为偶数时，则为正、负离子的迁移重排，例如 碳正离子的1，2迁移重排,1，n- 迁移重排实际上是键沿体系的迁移,根据同面、异面的概念，有四种可能的迁移方式,迁移基团R的立体化学与迁移方式有关，可能是保持 的，也可能是转化的,1) 1,3 迁移,对于1,3氢迁移，氢以s

12、轨道成键，组分只能以 同面方式迁移，只有两种可能的迁移方式,其中第一种迁移方式是对称性禁阻的,第二种迁移方式是对称性允许的，但要求氢从 体系的一面迁移到另一面，空间上无法接近,因此，氢的1，3-迁移很难发生,实验结果与理论预测的一致。通常情况下，烯烃的 双键在500以下是不会发生1，3迁移的,例如，乙酸酯28热解产物29是甲苯的同分异构体， 但即使在350的高温反应条件下，29也能够稳定 存在，不会经1,3氢迁移转变成稳定的甲苯分子， 充分说明了1，3氢迁移难以发生,1,3-碳迁移反应四种可能方式中，以下两种方式 是对称性允许的,第一种方式要求迁移基团R以构型保持的方式从 体系的一面迁移到另一

13、面，立体化学上非常不利,第二种方式要求迁移基团R以构型转化的方式在 体系之内进行同面迁移，是1，3碳迁移唯一 可行的方式。实验结果与此推测一致,开链烃的烷基很少发生1，3迁移,在一些张力较大的环状体系中，如果迁移可以 缓解环的张力，常发生1，3-碳迁移反应，在 这些反应中，迁移基团大多是构型转化的,1,3-烷基迁移的实例1,1,3-烷基迁移的实例2,2) 1,5- -迁移,与1,3-氢迁移不同，同面的1,5-氢迁移是对称性 允许的反应,对称性允许的1,5-氢迁移,以上1,5-氢迁移反应的动力是什么,因此，1,5-氢迁移反应是常见反应，含有戊二烯 体系的分子可通过1，5-氢迁移转变成更稳定异构体

14、,同面-同面的1，5-碳迁移也是对称性允许的反应,与1,3碳迁移不同，1,5碳迁移反应中，迁移基团R的构型是保持的,研究环戊二烯衍生物和茚衍生物中基团发生1,5 迁移重排反应的倾向发现，羰基和羧基最容易 发生迁移，其次为氢,例如，茚的酰基衍生物36在140下发生迁移重排， 生成更稳定的,-不饱和酮衍生物37,1,5酰基迁移和1,5氢迁移,机理,3) 1,7氢-迁移,同1,3氢迁移类似，同面的1,7氢迁移也是 对称性禁阻的，只有氢从体系的一面迁移到 另一面的异面迁移才是对称性允许的,与1,3氢迁移不同，在1,7氢迁移的情况下， 分子碳链足够长，氢从体系的一面迁移到另一面 的异面迁移立体化学上是允

15、许的,因此，1,7氢迁移是常见的氢迁移反应。例如， 在生物体内，维生素D3的前体40转变成维生素 D3 (41) 的反应被认为是按1,7氢迁移的机理进行的,4) 3,3迁移,3,3 -迁移重排是一类常见的重排反应，其中 典型的反应有Cope重排和Claisen重排,根据周环反应的普遍规则，3,3迁移可以通过两种 不同的对称性允许的方式进行，分别经由类椅式 过渡态和类船式过渡态,研究Cope重排的立体化学发现，反应按类椅式 过渡态进行,高度的立体选择性也表明反应是按协同机理进行的,烯丙基乙烯基醚通过3，3迁移重排成,-不饱和酮 的反应称作Claisen重排反应，可在温和条件下进行,烯丙基苯基醚的

16、3,3迁移也是常见的Claisen重排,初始产物环己二烯酮在酸或碱的催化下异构化为 苯酚衍生物，苯酚本身的酸性足以催化这类异构化 反应,反应中，烯丙基迁移至邻位，称作邻位Claisen重排,有时烯丙基也可迁移至苯环对位，特别是当邻位 已有取代基时，例如,为了与邻位Claisen重排相区别，称这类反应为对位 Claisen重排,邻位Claisen重排反应中，烯丙基发生重排，在对位 Claisen重排反应中，得到的是烯丙基未重排的产物,研究发现，对位Claisen重排实际上是经由邻位 Claisen重排和Cope重排两步反应完成的,反应中烯丙基经过两次重排，因而得到烯丙基 未重排的产物,这一机理得

17、到若干实验事实的支持。例如，在46的 重排反应中加入顺丁烯二酸酐，可以捕获第一步 邻位Claisen重排的中间体,习题10,1. all-cis-1,3,5,7-Cyclononatetraene can theoretically undergo three different electrocyclic ring closures. Draw the product of each of these reactions, determine the stereochemistry of each when it is obtained under thermal conditions, a

18、nd order the products by thermodynamic stability,2. When ketenes react with 1,3-dienes, bicyclic cyclobutanones are obtained. The mechanism of this reaction is usually described as a one-step 2+2 cycloaddition reaction, but the following two-step mechanism was recently proposed,a) Name the two steps of the proposed mechanism,b) When an unsymmetrically substituted ketene (RL)(RS)C=C=O) is used in thi