有机反应机理第八章二学习教案

1、会计学1有机反应有机反应(fnyng)机理第八章二机理第八章二第一页，共96页。+第1页/共96页第二页，共96页。前一机理(j l)为协同机理(j l)，后一机理(j l)为分步的双自由基机理(j l)周环反应(fnyng)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第2页/共96页第三页，共96页。区分(qfn)协同机理和分步机理的方法活化体积(tj)的测定(见2.6.3节)动力学同位素效应(xioyng)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第3页/共96页第四页，共96页。如果反应按协同(xitng)机理进行，由于分子轨道对称守恒的要求，

2、反应往往具有高度的立体选择性本节根据周环反应的普遍规则，讨论环加成反应，电环反应和-迁移(qiny)重排反应的机理和立体化学第4页/共96页第五页，共96页。(1) 2+2环加成反应(ji chn fn yn)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(nny)进行第5页/共96页第六页，共96页。如果反应按同面-同面 方式进行(jnxng)是对称性不允许的22ss如果反应按同面-异面 的方式(fngsh)进行，轨道之间空间上又难以接近22sa如果烯烃双键上基团的位阻非常小，也可发生协同方式(fngsh)的 环加成，即一个组分以异面的方式(fngsh)参与反应22sa

3、第6页/共96页第七页，共96页。烯酮衍生物R1R2C=C=O分子(fnz)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(biomng)反应为协同反应OC2H5CH3OCH3COC2H5OH+CH3H3COC2H5ORRCOC2H5OH+R2CCH2第7页/共96页第八页，共96页。二苯基烯酮与取代(qdi)苯乙烯加成生成环丁酮衍生物S=84Jmol-1K-10.73反应(fnyng)无明显的溶剂效应协同(xitng)机理？分步机理？CCOPhPhCCH2ArHPhPhArO+第8页/共96页第九页，共96

4、页。2+4环加成反应中最著名就是(jish)Diels-Alder反应以同面方式进行的2+4环加成反应(ji chn fn yn)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第9页/共96页第十页，共96页。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(hqn)二烯试剂碳原子构型保持的产物说明在绝大多数场合(chng h)，反应是按协同机理进行的第10页/共96页第十一页，共96页。RR1RR1+RR1RR1+第11页/共96页第十二页，共96页。环状二烯与亲二烯试剂(shj)加成时，生成两种立体异构的产物OOOOOOHHOOO

5、HH+ 内型（endo, 主要产物) 外型（exo)第12页/共96页第十三页，共96页。OOOOOOHHOOOHH+ 内型（endo, 主要产物) 外型（exo)亲二烯试剂上的取代基与环己烯分子(fnz)中新生成的碳-碳双键互为顺式，称为内型(endo)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(shun jin)互为反式，称为外型(exo)产物第13页/共96页第十四页，共96页。当环状二烯与含不饱和基团的环状亲二烯试剂(shj)反应时，产物往往以内型为主例如，以上(yshng)反应内型产物占绝对优势，外型产物的比例1.5%第14页/共96页第十五页，共96页。环二烯与开链的

6、亲二烯试剂反应时，则不一定遵守(znshu)内型规则例如(lr)环戊二烯与2-取代丙烯酸的加成反应第15页/共96页第十六页，共96页。X产物比例/%endoexoH7525CH33565C2H50100Br3068endoexo+CH2CO2HXXCO2H+CO2HX第16页/共96页第十七页，共96页。Woodward和Hoffmann认为(rnwi)，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(tngchng)有供电基，亲二烯试剂通常(tngchng)含吸电基过渡态二烯的HOMO轨道(gudo)与亲二烯试剂的LUMO轨道(gudo)作用比较合理第17页/共9

7、6页第十八页，共96页。按内型规则反应，过渡态二烯组分(zfn)HOMO轨道与亲二烯试剂LUMO轨道的作用如下图所示二烯HOMO亲二烯试剂LUMO (a)第18页/共96页第十九页，共96页。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(gudo)的作用如图所示亲二烯试剂LUMO (b)二烯HOMO第19页/共96页第二十页，共96页。二烯HOMO亲二烯试剂LUMO (a)亲二烯试剂LUMO (b)二烯HOMO第20页/共96页第二十一页，共96页。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

8、道相互作用”(secondary orbital interaction)，降低(jingd)过渡态的能量正是因为这种次级(c j)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第21页/共96页第二十二页，共96页。对于某些Diels-Alder反应，实验测定的活化(huhu)体积V比反应的体积变化V0还要负这是过渡态存在次级(c j)轨道相互作用的实验证据(2.6.3节)第22页/共96页第二十三页，共96页。Diels-Alder反应的另一立体化学(l t hu xu)特征含有取代基的二烯组分与亲二烯试剂(shj)反应时，通常生成取代基互为1,2-位或互为1,4-位

9、的产物第23页/共96页第二十四页，共96页。反应温度R1R2R产物比例/%1,2-1,3-20NH2HC2H5100020CH3HCH3955220CO2NaHNa5050R1R2CO2R+HR1R2CO2RHR1CO2RR2+为什么当R1为羧酸盐时1,3-位产物比例(bl)增加?第24页/共96页第二十五页，共96页。R1HCO2CH3+HCO2CH3R1HCO2CH3R1+反应温度R1产物比例/%1,4-1,3-160OC2H51000150C6H5821895CN1000第25页/共96页第二十六页，共96页。ADD这一位置(wi zhi)选择性可用前线轨道的轨道系数解释第26页/共9

10、6页第二十七页，共96页。DAADDADA1,2-位取向(q xin)1,4-位取向(q xin)第27页/共96页第二十八页，共96页。DADADADA 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(yn r)主要生成1,2-和1,4-位产物第28页/共96页第二十九页，共96页。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(gungfn)的应用例如，由硝基烯与亲二烯试剂加成可合成(hchng)氮羧酸酯，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，生成双环化合物第29页/共96页第三十页

11、，共96页。NOROOEtNOOROEtNCNOORNCOEt第30页/共96页第三十一页，共96页。NOOR3R2R1+ MeMeMeMeNOOR3R2HR1HMeMeMeMe1. SnCl4/甲苯70oC2. 甲苯70oC第31页/共96页第三十二页，共96页。烯烃(xtng)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(biosh)如下第32页/共96页第三十三页，共96页。1,3-加成OOOHR1HR2逆-1，3-加成1,3加成OOOHR2HR1OOOCHR1CHR2OR1H+OOHR2第33页/共96页第三十四页，共96页。nn电环反

12、应(fnyng)包括电环闭环和电环开环，二者互为逆反应(fnyng)，可用以下反应(fnyng)通式表示式中n表示(biosh)体系的碳原子数第34页/共96页第三十五页，共96页。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(jigu)和相对稳定性例如(lr)，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第35页/共96页第三十六页，共96页。而丁二烯闭环生成(shn chn)张力大的环丁烯，平衡偏向于开环一方第36页/共96页第三十七页，共96页。环丙基正离子、负离子和自由基开环的轨道(gudo)相关图如下图所示第37页/共96页第三十八页，共96页。SSAAAASSS

13、SA图33 环丙体系开环轨道相关图aabbc2对旋顺旋ababababA讨论(toln)环丙基正、负离子开环的方式第38页/共96页第三十九页，共96页。由图可见，对于(duy)环丙基正离子，对旋开环是对称性允许的反应对于(duy)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(mngqu)结论第39页/共96页第四十页，共96页。环丙体系环张力大，经由环丙基正离子的反应很容易通过(tnggu)电环开环生成烯丙基正离子对旋？顺旋？HCH3HCH3CH3HClHCH3HSbF5-SO2ClFC100HCH3CH3HCH3HClHHCH3SbF5-SO2C

14、lFC100第40页/共96页第四十一页，共96页。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(zhuny)的生成五元氮杂环衍生物第41页/共96页第四十二页，共96页。NArCO2RHRO2CHNRO2CHCO2RHArC100R1O2CCO2R17NHCO2RHRO2CCO2R1R1O2CArNArCO2RHHCO2RNRO2CHHCO2RArR1O2CCO2R16C100NHCO2RRO2CHCO2R1R1O2CAr8顺旋？对旋？为什么？第42页/共96页第四十三页，共96页。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

15、结构，因此(ync)按顺旋方式开环第43页/共96页第四十四页，共96页。22sa22ss由于环张力的存在(cnzi)，环丁烯的开环也是热力学上有利的反应(G0 0)根据周环反应(fnyng)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(fnyng)对旋开环可表示(biosh)为 ，对称性不允许第44页/共96页第四十五页，共96页。顺旋开环as22对旋开环ss22第45页/共96页第四十六页，共96页。CH3HH3CHHCH3HCH3C175顺旋?对旋？例如(lr)，顺-3,4-二甲基环丁烯开环生成E,Z-2,4-己二烯第46页/共96页第四十七页，共96页。而反-3,4-二甲基

16、环丁烯开环生成(shn chn)E,E-2,4-己二烯CH3HHCH3CH3HHCH3C175第47页/共96页第四十八页，共96页。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(jsh)将9在124加热51天，也不能检测到异构体11和12，为什么？PhCH3PhPhPhCD31211PhCH3CD3PhPhPhPhCH3CD3PhPhPh109CH3PhPhPhCD3Ph第48页/共96页第四十九页，共96页。反应可能按以下电环闭环和电环开环的途径(tjng)进行CH3PhPhPhPhCD3PhCH3PhCD3PhPhPhCH3CD3PhPhPh10第49页/共96页第五十页，

17、共96页。HH单环环丁烯衍生物容易(rngy)开环，而二环3.2.0庚-6-烯在260下仍能稳定存在，为什么？第50页/共96页第五十一页，共96页。因为(yn wi)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不允许的HH1314第51页/共96页第五十二页，共96页。戊二烯基正离子和负离子很容易闭环形成稳定(wndng)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(qingj)形成戊二烯正离子，后者立体专一地闭环形成五元环产物第52页/共96页第五十三页，共96页。CH3HCH3CH3OHCH3HSO2ClF/HSO3FCH3CH

18、3CH3CH317aC80CH3HCH3CH3OHHCH3SO2ClF/HSO3FCH3CH3CH3CH317bC80顺旋?对旋？第53页/共96页第五十四页，共96页。HHHHM = K , LiHC35HHM18戊二烯基负离子18闭环生成(shn chn)顺式稠合的桥环化合物顺旋?对旋？第54页/共96页第五十五页，共96页。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(fngsh)进行，戊二烯基负离子的闭环应按对旋方式(fngsh)进行实验结果与理论预测(yc)的一致第55页/共96页第五十六页，共96页。222sss222ssa根据周环反应的普遍规则(guz)，己三烯对旋

19、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(ynx)第56页/共96页第五十七页，共96页。222 )sss对旋222 )ssa顺旋己三烯闭环的轨道对称性第57页/共96页第五十八页，共96页。CH3HHCH3HHCH3CH3C1301920E,Z,E-辛-2,4,6-三烯(19)在130发生(fshng)闭环反应，生成顺-5,6-二甲基-环己-1,3-二烯(20)对旋？顺旋？第58页/共96页第五十九页，共96页。CH3HHCH3HCH3CH3H解释以下(yxi)反应：第59页/共96页第六十页，共96页。反应(fnyng)由辛四烯的顺旋闭环和产物环辛三烯的对旋闭环两步构

20、成CH3HHCH3C10HCH3CH3HC20HCH3CH3H第60页/共96页第六十一页，共96页。常见(chn jin)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(fnz)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迁移重排第61页/共96页第六十二页，共96页。1，n- 迁移(qiny)重排实际上是键沿体系的迁移(qiny)根据(gnj)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(boch)的，也可能是转化的第62页/共96

21、页第六十三页，共96页。表6 1，n- -迁移重排的可能方式和迁移基团迁移方式同面异面组分R的构型ss保持aa转化as转化保持sa第63页/共96页第六十四页，共96页。对于1,3氢迁移(qiny)，氢以s轨道成键，组分只能以同面方式迁移(qiny)，只有两种可能的迁移(qiny)方式Hss22Hsa22 1，3-氢迁移的可能方式第64页/共96页第六十五页，共96页。其中第一种迁移方式(fngsh)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(kngjin)上无法接近因此(ync)，氢的1，3-迁移很难发生第65页/共96页第六十六页，共96页。实验结果

22、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(fshng)1，3迁移的例如，乙酸酯28热解产物29是甲苯的同分异构(tn fn y u)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氢迁移难以发生第66页/共96页第六十七页，共96页。C350+CH2HOCCH3O2928OHCH3O第67页/共96页第六十八页，共96页。1,3-碳迁移反应四种可能(knng)方式中，以下两种方式是对称性允许的Rsa22Ras22对称性允许的1，3碳迁移方式第68页/共96页第六十九页，共96页。第一种方式要求迁移基团(j t

23、un)R以构型保持的方式从体系的一面迁移到另一面，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(tx)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第69页/共96页第七十页，共96页。开链烃(lin tn)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(j tun)大多是构型转化的第70页/共96页第七十一页，共96页。1,3-烷基(wn j)迁移的实例1HDHXC307HDXHHDXH30a X=OAc30b X= D第71页/共96页第七十二页，共96页。1,3-烷基

24、迁移(qiny)的实例2HCH3C120HH3CCH3H第72页/共96页第七十三页，共96页。与1,3-氢迁移不同，同面的1,5-氢迁移是对称性允许(ynx)的反应Hss24对称性允许(ynx)的1,5-氢迁移第73页/共96页第七十四页，共96页。CH3CH3HCH3HHCH3H以上(yshng)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(tnggu)1，5-氢迁移转变成更稳定异构体 第74页/共96页第七十五页，共96页。同面-同面的1，5-碳迁移也是对称性允许(ynx)的反应与1,3碳迁移不同，1,5碳迁移反应中，迁移基团(j tun

25、)R的构型是保持的Rss24第75页/共96页第七十六页，共96页。研究环戊二烯衍生物和茚衍生物中基团(j tun)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(qiny)重排，生成更稳定的,-不饱和酮衍生物37第76页/共96页第七十七页，共96页。36CH3CH3CROC140CHRCH3OCH3CH3HCOR371,5酰基迁移(qiny)和1,5氢迁移(qiny)机理(j l)？第77页/共96页第七十八页，共96页。同1,3氢迁移类似，同面的1,7氢迁移也是对称性禁阻(jnz)的，只有氢从体系的一面迁移到另一面的异面迁

26、移才是对称性允许的第78页/共96页第七十九页，共96页。Hss26Hsa26第79页/共96页第八十页，共96页。与1,3氢迁移(qiny)不同，在1,7氢迁移(qiny)的情况下，分子碳链足够长，氢从体系的一面迁移(qiny)到另一面的异面迁移(qiny)立体化学上是允许的因此，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(j l)进行的第80页/共96页第八十一页，共96页。HOHC8H17CH2CH3HOC8H174041(VD3)第81页/共96页第八十二页，共96页。3,3 -迁移重排是一类常见

27、的重排反应，其中(qzhng)典型的反应有Cope重排和Claisen重排321321Cope重排OO321321Claisen重排第82页/共96页第八十三页，共96页。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(fnbi)经由类椅式过渡态和类船式过渡态类椅式过渡态sss222类船式过渡态sss222第83页/共96页第八十四页，共96页。研究Cope重排的立体化学发现，反应(fnyng)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(xitng)机理进行的HH3CHH3CCH3HCH3H4299.7%第84页/共96页第八十五页，共96页。OCH3

28、OCH3C150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(tiojin)下进行第85页/共96页第八十六页，共96页。OCH3OHCH3OHCH3H3,3烯丙基苯基醚的3,3迁移(qiny)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(bnshn)的酸性足以催化这类异构化反应第86页/共96页第八十七页，共96页。OCH3CH3CH3OHCH3CH3CH3C200反应中，烯丙基迁移(qiny)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(qdi)基时，例如第

29、87页/共96页第八十八页，共96页。为了与邻位Claisen重排相区别(qbi)，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(du wi)Claisen重排反应中，得到的是烯丙基未重排的产物第88页/共96页第八十九页，共96页。研究发现(fxin)，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(jnggu)两次重排，因而得到烯丙基未重排的产物第89页/共96页第九十页，共96页。CH3CH3OCH3OCH3CH3HCH3HOHCH3CH3CH3CH3OCH3CH3第90页/共96页第九十一页，共96页。OCH3CH3OCH3CH3OOOOOCH3H3COO46这一机理得到若干实验(shyn)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重排的中间体第91页/共96页第九十二页，共96页。1. all-cis-1,3,5,7-Cyclononatetraene can theoretically undergo