周环反应18综述

1、北京理工大学 高等有机化学周环反应主要内容一、引言二、周环反应的分类及理论解释 分类：1. 电环化反应 (electrocyclic reactions)2. 环加成反应 (cycloaddition reactions)3. - 键迁移反应 (sigmatropic rearrangement) 理论解释：1. 前线轨道理论2. 分子轨道对称性守恒3. 芳香过渡态理论三、总结 引言在本科学习过两类反应：离子反应： 通过键的异裂而产生的 C+、 C- 为中间体 自由基反应： 通过键的均裂而产生的 C为中间体 但是，有没有其它类型的反应呢？1928 年 Diels-Alder 反应，研究相当深入

2、，应用广泛周环反应北京理工大学 高等有机化学但这类反应没有检测到反应中间体，不服从上述两种反应机理，不受溶剂极 性影响，不被酸碱催化，也不受自由基引发剂或淬灭剂的影响, 是一类很特殊的有机反应，一度认为是没有机理的反应， 困惑化学界 50 多年（从 1912 年 Claisen 反应起）。1958年 Vogel 报道了一个有趣的反应：120CO2Mecis-transMe而得不到更稳定的：COCOtrans-tran或者不稳定的：Me21961 年荷兰 Leiden 大学 Prof.Haringa 研究己三烯关环时， 得到的是 CH3、H反式的关环产物该校 Oosterhoff 教授认为，加热

3、和光照所引起的化学反应的立体化学不同可能 是由于受到其他因素（如共轭己三烯的轨道对称性）的影响，并进一步提出是受 最高占据轨道和节点数控制的。这一见解 Haringa 作为脚注发表在四面体上。这 已经接近了分子轨道对称性守恒大门，可以说已经踏入了一只脚。周环反应北京理工大学 高等有机化学与此同时，美国 Woodward和 Eschenmoser正领导全世界来自 19 个国家的 100 位科学家进行 VB12全合成工作，历时 12年，于 1972 年宣告完成，轰动一时，是 有机合成的杰作， 传为佳话。在合成过程中， 注意到己三烯在关环反应中， 在光、 热不同条件下， 产物的立体化学完全不同， W

4、oodward称之为“ the very pretty set of facts ” (一组绝妙的事实 ) ，他抓住这个事实，深入研究，并与年轻的量子化 学博士后 Hoffman合作，发现了“分子轨道对称性守恒原理” ，或称 WH规则。 从 1965 年开始他们在 JACS上以 Chem.Commun的. 形式连续发表这方面的文章， 理 论界一下子就掀起了波澜，因为从来没有人这样认识反应机理。该理论很快得到 响应，并用来解释 DA 反应，这些文章同时发表在 JACS上。与 Woodward发表 同一内容和同一理论解释的文章。这种文章太重要了，不能舍弃哪一篇。1970 年， Woodward和

5、Hoffman 把过去的这类反应收集整理，以高屋建瓴之 势出版了分子轨道对称性守恒一书，是这一理论更加系统化、理论化。Woodwar(d 1917-1979)Havard 大学教授，有机合成大师。 1965 年由于四环 素的结构研究获得了 Nobel 化学奖1981年 Hoffman由于“分子轨道对称守恒”获得了 Nobel 化学奖。同年 日本 Fukui 福井谦一也获此殊荣，他用 FMO理论来解释。这是有机化学发展史上的一件大事，有机化学书上的光辉一章。周环反应的分类及理论解释周环反应 pericyclic reactionsWH 创造了这一名词协同反应 concerted reaction

6、s 周环反应指经过一个环状过渡态进行的反应。 为基元反应，有一过渡态。协同反应指反应物键的破裂与生成是同时，协同进行的，不分先后，如SN2反应周环反应北京理工大学 高等有机化学周环反应分为三类：1. 电环化反应 2. 环加成反应 3. -键迁移反应周环反应的理论解释： 前线轨道理论分子轨道对称性守恒芳香过渡态理论这三种理论都是以 MO理论为依据的，不仅用于解释周环反应，正扩大到其 他领域，如加成、取代、催化等反应上。一）电环化反应（ electrocyclic reactions ）定义：链状共轭烯烃分子的两端形成一个键变成环状的分子及其逆反应。hv微观可逆性原理：对于基元反应，如果正向反应走

7、的是一条能量最低、最有利的途径，那么它的逆反应也将沿此能量最低的途径进行，正、逆反应遵循同一反应历程1） 前线轨道理论（ FMO）解释电环化反应福井歉一在分子轨道理论（ MO）的基础上提出：在化学反应的过程中，对分周环反应北京理工大学 高等有机化学子中旧键的断裂和新键的形成起决定作用的是分子的最外层轨道， 称之为前线轨 道（ FMO）。FMO理论的要点： 进行化学反应时起决定作用的是一个分子的最高占据轨道（HOM）O 和另一个分子的最低空轨道（ LUMO）； 前线轨道之间发生作用时，一个分子的 HOMO与另一个分子的 LUMO必须对称 性一致，即按轨道正与正，负与负同号重叠； HOMO与 LU

8、MO的能量必须接近； 电子云从一个分子的 HOMO转移到另一个分子的 LUMO，转移的结果必须与反应 过程中旧键断裂、新键生成相适应。服从上述 4 点的反应为对称允许反应，反之，为对称禁阻的反应。 对于共轭多烯烃的电环化反应，起决定作用的共轭多烯烃的 HOM。O4n 体系以 2，4- 己二烯为例先看一下 2，4- 己二烯的分子轨道草图周环反应北京理工大学 高等有机化学4321基态激发态基态时， 2是 HOM（O最高占据轨道），要使 p轨道同相重叠，只能顺旋关环+激发态（光照）时，一个电子激发到3，3 成为 HOM，O只能对旋关环。4n体系的立体选择性规律电子反应条件方式4n顺旋4nhv对旋对于

9、 4n+2 体系以 2， 4， 6- 辛三烯为例周环反应北京理工大学 高等有机化学先看一下它的分子轨道节点草图基态时， 3为 HOM，O具有两个节点，应该 对旋关环，才能使位相相同的两瓣重 叠。在激发态时， 4 成为 HOM，O有三个节点，应该 顺旋关环4n+2体系的立体选择性规律电子反应条件方式4n+2对旋4n+2hv顺旋由微观可逆性原理，其开环反应也是一样的，例：周环反应北京理工大学 高等有机化学3电环化反应的立体化学选律取决于 HOMO的对称性及反应条件大量实验事实证实了这些规则： 顺旋环辛三烯对旋4n+2 对旋顺式稠合产物（I）如果按照 4n 体系，则得到HHH反式稠和，张力太大，不能

10、生成实验证明，环辛三烯在 80下，只得到了双环产物（ I ），未发现按 4n 体系关环 得到的（ II ）异构体。再一个例子：周环反应北京理工大学 高等有机化学38顺旋开环4n稳定第二步未按 4n 顺旋关环，得到反式烯（ 3，6 位）反式稠和环丁烯，张力太大FMO（即 HOM，OLUMO），2）能级相关法前线轨道理论，简单，易形象化，但只考虑分子的 但实际上反应分子的电子能级都要发生变化。在理论上不是真正令人满意能级相关法则考虑到了全部参加作用的分子轨道， 强调了各个分子轨道的对 称性分类，建立了反应物和产物之间的能级相互转换的关系图，比较全面。这一学说的要点是： 参加反应的全部分子轨道经过过

11、渡态，转变成产物的分 子轨道，此过程始终遵循轨道对称性守恒。以 1，3- 丁二烯关环为例：ASAAASSS步骤：周环反应北京理工大学 高等有机化学 先画出反应物四个分子轨道（ MO），产物四个 MO（， ， * ，*），按能量从高到低排列。 假设对旋关环。因为过渡态要始终保持对称性守恒，对称元素为镜面反应物 按照此，把反应物和产物的波函数分类 做连线 在做相关图时，必须服从以下规则： a、根据对称性守恒原则，在协同反应中，反应物分子轨道必须转化为具有相同 对称性的产物的分子轨道（ S-S、A-A），并且要求能级相近。 b、不相交原则。两条 S-S 或 A-A 连线不能相交。按量子力学，在相交处

12、，由于 它们的对称性相同， 能量又相近，相互作用很大，会相互排斥而彼此分开。 而 S-S 与 A-A 之间由于对称性不同，他们之间的波函数具有正交性，在相交处的相互排 斥能可以忽略不计，因此是允许相交的。在对旋关环时， 2 进入 *（ 3（激发态）进入）因此涉及激发态，对 于 2 基态成键轨道，不能与产物的基态成键相连，这就要求 2 电子先激发 到 3，处于激发态，此时反应活化能是比较高的，在一般加热条件下，由于能 量低，无法实现，必须在光照下，具有足够的能量提升电子才行。因此，对旋条 件是光照。而在顺旋条件下，过渡态的对称元素是 C2产物10周环反应北京理工大学 高等有机化学同样按照上述步骤

13、作相关图：A*S在顺旋关环时，反应物1 和 2 基态成键轨道的4 个电子进入产物的成键轨道、中，不涉及高能量过渡态，反应条件是（3）芳香过渡态理论 根据此理论，过渡态可以像基态分子一样分为芳香或反芳香的+如果是一种芳香过渡态，那就稳定，会降低反应的活化能，反应是允许的； 如果是一种反芳香过渡态，具有较高的活化能，那就要求激发态，需要光照条件 反应才能进行。定义芳香性和反芳香性（这与基态分子不同，参考之） 。 对于环状共轭多烯的轨道，在基态时，位相发生改变。凡改变 1， 3，5奇数次的，叫 M?bius 体系，“ 1”次 凡改变 0， 2，4偶数次的，叫 Hckel 体系，“ 0”次11周环反应

14、北京理工大学 高等有机化学124635位相改变 0次2 次4 次6次如果位相改变为奇数次 （例如 “1”次），这种体系就定义为 M?bius 体系（莫 氏过渡态）。如果电子数是 4n 则为芳香过渡态，反应在基态下进行，反应条件 ；如果是 4n+2 电子体系则为反芳香过渡态，反应在激发态下进行，反应条件 hv。如果位相改变“ 0”、“2”等偶数次，这种过渡态体系就定义为 Hckel 体系。 如果电子数是 4n+2则为芳香过渡态，反应在基态下进行；如果是 4n 电子体系 则为反芳香过渡态，反应在基态下禁阻，在 hv 条件下进行。12周环反应北京理工大学 高等有机化学芳香过渡态理论对电环化反应的解释

15、先画出基组集合轨道丁二烯体系如果对旋关环，则为如图所示过渡态中的位相改变“ 0”次，应为 Hckel 体系，电子数为 4n，属于反芳香过渡态，反应条 件 hv 。如果顺旋关环，则过渡态中的位相改变“ 1”次，应为 M?bius 体系，电子数为 4n，对应芳香过渡态，反应条件。对于 1，3， 5- 己三烯体系也做类似的分析先画出基组集合轨道（ 1）对旋，则位相改变“ 0”次， Hckel 体系，电子数为 4n+2，属 于芳香过渡态，反应条件。顺旋，则位相改变“ 1”次， M?bius 体系，电子数为 4+2n，反 芳香过渡态，反应条件 hv。芳香过渡态理论，只要求分析基组集合轨道就行，再看不同方

16、式关环时，所 对应过渡态的属性即可。归纳：先画一组基组集合轨道关环方式过渡态种类及过渡态电子数过渡态 为芳香或反芳香确定反应条件这只是一种理论方法，在实际中尚未发现莫氏芳香体系。 FMO、能级相关法 （分子轨道对称性守恒） 以及芳香过渡态理论都能非常圆满地解释电环化反应的 主体化学选律，各有所长，都可以使用。13 周环反应北京理工大学 高等有机化学电环化反应举例：ClCl4n顺旋 开 环Clhv对旋开环C而不是ClClHH对旋关环而不是张力大hv对旋关环Pb(OAc) 4称为杜瓦苯，是苯的价键异构体， 多年来未能制备出这个不稳定的化合物（不是共振结构的杜瓦苯，那是平面的） 1963 年制备出，

17、 Tamelen & Pappas14周环反应北京理工大学 高等有机化学杜瓦苯，半衰期 2天，在 25下变为苯，认为是通过双基中间体实现的，不是协 同反应机理。若按照 W-H规则：JACS 93,6092(1971)离子体系的电环化反应例如：FMO4n顺旋4n+2对旋烯丙基正离子，最简单的电环化反应例子 对于顺式 2，3- 二甲基环丙基正离子体系，在加热的情况下，有两种对旋开环方式：周环反应+15北京理工大学 高等有机化学向外 对旋开环对旋开环相对速度如果环丙基正离子的形成是决定速度的步骤，即SN1反应，则 II 应比 III 更活对比：由于空间因素，使甲基彼此远离的对旋方式（即向外对旋）应占

18、优势比较：在 100 下，几种对甲苯磺酸环己酯乙酸解的反应速度：HOTs（III）41，000泼，因为在 II 中，OTs和两个甲基的相互作用， 如果形成正离子更容易解除张力 事实上相反。在 C2、C3 之间弯键（环丙烷，香蕉键，有较强p 性质，伸展）逐渐发展出来的 p轨道与 OTs离子从背后逐渐发展出的空的 p 轨道形成二电子三中心体系， 有离域 作用，稳定二个 p 轨道与 好相反），只有而在 II 中，如果 C2、C3两个甲基向外转，所发展的C1离去基团可发展出来的空 p 轨道不能交盖（方向正 向内转才行，这当然是不利的。当有环稠合时，情形又不同了：16周环反应北京理工大学 高等有机化学1

19、50 下， 3个月，产物张力大此反应比上一反应至少快 2*10 6倍，4n+2 对 旋H环辛二烯锂反式稠合，构象不稳定（二）环加成反应（ Cycloaddition Reactions ） 定义：两个或多个体系互相作用， 通过环状的过渡态生成环状分子的反应， 叫环加成反应。最常见的是（ 4+2）和（ 2+2）（1） 关于（ 2+2）用 FMO来解释。注意一个分子用 HOM，O 另一个分子用 LUMO17周环反应北京理工大学 高等有机化学基态下HOMOLUMO异面加成，轨道扭曲，过渡态张力大，实际上不可能如果在光照条件下，受激分子的 2成为 HOM，O另一基态分子 2为 LUMOHOMO（ 受激

20、分子 ）hvLUMO（ 基态分子 ）同面加成2+2 反应立体选择性异面加成hv同面加成简单烯烃 2+2 在光照条件下，虽然同面加成允许，但是，产物比较复杂，而 且反应可能不是协同的（光化学会涉及） 。2+2 没有实用意义用芳香过渡态理论解释 2+2对于同面加成：先画基组集合轨道， 假定同面加成，位相不变，属休氏体系， 4 个电子体系，反芳香过渡态， hv 是允许的（是禁阻的）相改变（但几对于异面加成： 先画基组集合轨道， 假定异面加成， 则位 一次，属莫氏体系， 4n 电子，芳香过渡态，是允许的 何上不允许）18周环反应北京理工大学 高等有机化学例外：对于烯酮类化合物 RCH=C=O与烯在加热

21、条件下可以实现异面2+2 反应，中间的 C为 sp 杂化，不拥挤。SLSSLHOMOLUMOO用来制备一些高度受阻的化合物例：2C2H5O2 5 4 3CCOHOWH认为， RRC C O C C O RR 由于烯酮强亲电性， 可能存在 C+，三价，有一空的 p 轨道，这样就能使得乙烯 HOMO 易于与之接近，加强了相互作用，有利于成键，而其它简单烯烃不具备此条件。二烯 diene+亲二烯体 dienophile加成物 adduct在此反应中， 两个键消失，同时形成两个新的键，由于键比键稳定，2)4+2Diels-Alder反应，在理论上和实践上都非常重要。这类反应一般是放热的。产物更稳定。在

22、高温下，多数 DA 反应是可逆的19周环反应北京理工大学 高等有机化学理论解释：FMO法HOMOLUMO这样的轨道组合，同面加成是允许的6 个电芳香过渡态理论解释先画基组集合轨道，同面加成，位相不变，属休氏体系，子体系，芳香过渡态，是允许的能级相关法解释同面，顺式加成E1=+1.618E 2= +0.618 4 A反应物 MOE3=-0.618 E4= -1.618 如何处理产物的轨道呢？20周环反应北京理工大学 高等有机化学对称面对称面11+ 21 - 2又不是反对称的成键轨道组合起相对于分子的对称面而言既不是对称的， 来，变成对称或反对称的关系。两个反键轨道 1*、 2* 也同样处理1 S

23、2* A2 A（S）* A1* S产物MO4乙*SS 2* 1*轨道按对称性分类 作连线32乙121周环反应北京理工大学 高等有机化学看看是涉及基态还是激发态，此六个电子，均为基态，反应条件是 （a）D-A反应的动力学动力学测定 DA 反应是二级反应v=k二烯 亲二烯体 逆反应是一级反应 v=k 加成物 从动力学表达式看，其与协同反应是一致的。但在某些情况下，不排除分步 反应的可能性，即有中间体、离子或自由基（表现是产物非立体专一） 。此时如 果是极性机理，那么可以预料对溶剂极性影响应该是敏感的。（b）方位选择性如果二烯或亲二烯体不对称，则有方位选择性问题。OCH3OCH3哪一种产物是主要的呢

24、？邻位还是间位产物？用 FMO理论解释这个问题双烯的 HOMO和亲双烯体的 LUMO之间有最强的相互作用HOMO LUMO 邻位为主 间位为次当 X 为推电子基团， Y 为吸电子基团，这是最常见的，比较有利的反应。此时， 亲双烯体的 LUMO的 C2和双烯 C1上的分子轨道系数大，相互作用强，易于靠近，22周环反应北京理工大学 高等有机化学C1-C2成键有利。当 X 位置不同时：增强 D-A 反应的方位选择性还有一个方法，就是添加 Lewis 酸CO 2CH 3meta productPara productCO2CH3CO 2CH325,41d 70%10-20 ,3h 95%1mol%Al

25、Cl 3这是由于 Lewis 酸与亲双烯体形成络合物，降低了亲双烯体的30%5%LUMO能级，从而与双烯体的 HOMO更接近c）二烯的活性二烯必须采取 S-顺式构象，才有利于形成环状过渡态S-tran sS-transS-cis空间因素23周环反应北京理工大学 高等有机化学CH 3CH 3快103倍，非键张力大。比则不影响环加成，有利于采取 S-Cis 构象如果不反应。则不能采取 S-Cis 构象，排斥力太大了，环戊二烯是非常有用的，比链状二烯还好，一般是二聚体。使用前现蒸馏即常用的二烯体：丁二烯及其衍生物，环戊二烯，呋喃，环己二烯，蒽等(d) 亲二烯体的活性i. 当二烯体上有给电子基团，亲二

26、烯体上有吸电子基团时，对反应有利，这种电 子基团的互补要求 normal electron demond 。二烯用HOMO亲二烯体用 LUMO24周环反应北京理工大学 高等有机化学反应也可以进ii. 反之，当二烯上有吸电子基团，亲二烯体上有给电子基团时， 行， inverse electron demond 。二烯用 LUMO亲二烯体用 HOMO常用的亲二烯体：O顺丁烯二酸酐OORCH=CHX 其中， X=O(NC) 2C=C(CN) 2-CN -NO 2炔类： F3CC CCF3艾氏剂，杀虫剂 e）立体化学D A具有高度立体专一性顺式加成规则25周环反应北京理工大学 高等有机化学+顺，内向+

27、RO2C反式- 内向二烯和亲二烯体的立体化学都是保持的CHEndo- 76%CH3 exo- 24%CO 2CH3Endo-主要产物 exo- 次要产物用 FMO解释2HOMO4LUMO实线 primary orbital interaction26周环反应北京理工大学 高等有机化学虚线 secondary orbital interaction因此内向加成时，过渡态有 primary orbital interaction作用，还有次级轨道位相也合适，有利于接近，此时活化能降低些，是动力学控制反应。在高温下，反应受产物稳定性控制的，是热力学控制反应。动力学和热力学控制反应的概念：? 动力学控

28、制反应， 存在着不同进程的反应， 速度快而体系没有受稳定能 （产 物的热力学控制）支配的反应。? 热力学控制反应，时间足够长，受稳定能支配的反应。内向外向应用举例27周环反应北京理工大学 高等有机化学斑蝥素CantharidineO斑蝥素，认为空间障碍的关系，不能反应，构型对头实际合成路线Title对称三嵌环戊烯HHCO2Me+4+2NCO2MeNN分子内 4+2hv- N2NCO2MeCO2Me对于（ 4+2）热协同 D-A 反应早已熟知，但更高系列尚未得知：Houk & Woodward, JACS 92,4145(1970) 报道28周环反应北京理工大学 高等有机化学6+495%F卤代烯

29、与丁二烯反应不是（ 4+2）类型，而是得到环丁烷FF12590%90% F也不是（ 2+2）异面加成，而是通过双基中间体此中间体由于卤素作用稳定1，3- 偶极环加成（ dipolar cycloaddition reaction）环加成反应不限于中性分子， 1，3- 偶极分子也有类似于 4+2的反应 1，3- 偶极环加成反应类似 D-A反应，是协同反应。1，3- 偶极分子一般含有在三个原子上四个电子的体系 立体化学上也类似 D-A，是顺式加成的。常见的 1，3- 偶极分子29周环反应北京理工大学 高等有机化学Nitrile oxideazidesdiazomethaneR C N O R C

30、N ORNNNH2CN NR N N NH2CN Nnitrilimines睛亚胺RCNNRRC例如：NCH2N2NMeO 2CCO 2MeMeO 2CCO 2Menitrones硝酮类R2CNORRNR2C立体化学选律即考虑电子因素，也考虑空间因素，如同 子互补要求最好。D-A 一样能够满足电常用于鉴定烯烃结构的臭氧化反应第一步 Criegee 认为第一步是环加成反30周环反应应。1，3迁移Z5i ，i=j 表示迁移后键所连接的两个原子的位置。 Cope重排反应213不表示从 i 迁移至 j 。北京理工大学 高等有机化学 -键迁移反应 (sigmatropic rearrangement )定义：指单键上的原子或基团从共轭体系的一端移向另一端的协同重排反Z是迁移的基团，为氢原子或烷基。j=3 ，3迁移对于迁移的基团，从主体化学角度来看，可以是同面的或异面的解释用 FMO，1 ， 3 迁移可以看成是一个氢原子和一个烯丙基自由基的 HOMO来看 待。31周环反应北京理工大学 高等有机化学用芳香