周环反应18综述

1、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. (T -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，应用广泛但这类反应没有检测到反应中间体，不服从上述两

2、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:120°CCO2Mecis-tra nsMe而得不到更稳定的:COCOtran s-tra n或者不稳定的:Me2GO Me1961年荷兰Leiden大学Prof.Haringa 研究己三烯关环时，得到的是CH、H反式的关环产物该校Oosterhoff教授认为，加热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

3、，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。与此同时，美国Woodwarc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，Woodwarc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Hof

4、fman合作，发现了“分子轨道对称性守恒原理”，或称W H规则。 从1965年开始他们在JACS上以Chem.Commu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D A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。Woodward( 1917-1979)Havard大学教授，有机合成大师。19

5、65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!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 reactionsW H创造了这一名词协同反应 concerted reactions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反应周环反应分为三类:1.电环化反应2.环加成反应3.(T -键迁

6、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M0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c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(M0的基础上提出：在化学反应的过程中，对分子中旧键的断裂和新键的形成起决定作用的

7、是分子的最外层轨道，称之为前线轨道（FMO。FMO!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（LUM） 前线轨道之间发生作用时，一个分子的 HOM与另一个分子的LUMO、须对称 性一致，即按轨道正与正，负与负同号重叠； HOM与LUMO勺能量必须接近； 电子云从一个分子的HOM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HOMQ4n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基

8、态激发态基态时，屮2是HOMO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，一个电子激发到屮3,W 3成为HOM,O只能对旋关环。4n体系的立体选择性规律貝电子反应条件方式4n顺旋4nhv对旋对于4n+2体系以2， 4， 6-辛二烯为例先看一下它的分子轨道节点草图基态时，屮3为HOMO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，屮4成为HOMO有三个节点，应该 顺旋关环4n+2体系的立体选择性规律貝电子反应条件方式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:W 3电环化反应的立体化学选律取决于 HOM的对称性及反应条件

9、大量实验事实证实了这些规则:顺旋环辛二烯对旋4n+2 对旋顺式稠合产物如果按照4n体系，则得到HHH反式稠和，张力太大，不能生成实验证明，环辛三烯在80C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：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(2)能级相关法FMO(即卩 HOMpLUMO,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n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

10、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:AASAAS(TSS步骤: 先画出反应物四个分子轨道（MO,产物四个MO（c,n ，冗*）,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c反应物 按照此c,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

11、。按量子力学，在相交处，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，屮2进入n * （n 3 （激发态）进入n）因此涉及激发态，对 于屮2基态成键轨道，不能与产物的基态成键n相连，这就要求屮2电子先激发到W3,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 件是一一光照。而在顺旋条件下，过渡态的对称元素是 C2产物同样按照上述步骤作相关图:A兀S在

12、顺旋关环时，反应物屮1和屮2基态成键轨道的4个电子进入产物的成键n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n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，“ T次 凡改变0, 2, 4偶数次的，叫Hickel体系，“0”次助W2W4Y6¥3¥5位相改变

13、0次2次4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n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 Hickel体系。 如果n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。芳香过渡态理论对电环化反应的解释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Hickel体系，电子

14、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（W 1）对旋，则位相改变“ 0”次，H tckel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hv0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 为芳香或反芳香一确定反应条件这只是一种理论方

15、法，在实际中尚未发现莫氏芳香体系。FMQ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。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hv对旋关环Pb(OAc) 4R制备出，Tamelen & Pappas杜瓦苯，半衰期2天，在25C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

16、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:+向外对旋开环对比：由于空间因素，使甲基彼此远离的对旋方式（即向外对旋）应占优势 比较：在100 C下，几种对甲苯磺酸环己酯乙酸解的反应速度：对旋开环相对速度HOTs（山）41, 000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

17、空的p轨道形成二电子三中心体系，有离域作用，稳定而在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。S 二个p轨道与.好相反），只有当有环稠合时，情形又不同了:150 C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n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HOMO另一个分子

18、用LUMO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，受激分子的屮2成为HOM,O另一基态分子屮2为LUMOHOMO（受激分子）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

19、电子，芳香过渡态，是允许的 何上不允许）例外:2+2反应，中间对于烯酮类化合物RCH=C=与烯在加热条件下可以实现异面的C为sp杂化，不拥挤。SLSSLHOMOLUMOO用来制备一些高度受阻的化合物例:2C2H5O、4 3CCOOW H认为，R.R. + -C= C O CCOR 一R-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die ne+亲二烯体die no phile加成物adduct在此反应中，两个n键消失,同时形成两个新的c键,由于c键比n键稳定,(2) 4+2Diels-

20、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。在高温下，多数D-A反应是可逆的理论解释:FMO法HOMOLUMO这样的轨道组合，同面加成是允许的芳香过渡态理论解释6个电先画基组集合轨道，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Ei= a +1.618卩* AE2= a +0.618 Ba屮4 A反应物MO E3= a -0.618 BE4= a -1.618 B如何处理产物的轨道呢?对称面对称面(T 1> 丄>>CTl+C 2(T 1-(T 2又不是反对称的C成键轨道组合起相对于分子的对称面而言既

21、不是对称的, 来，变成对称或反对称的关系。两个反键轨道C 1*、(7 2*也同样处理(T 1 Sn( S)n * A 7 1* S(T2* A(T 2 A产物MOSS(T 2CT 1轨道按对称性分类作连线W 3W 2n乙W1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D A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

22、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？邻位还是间位产物？用FMO!论解释这个问题双烯的HOM和亲双烯体的LUMC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，丫为吸电子基团，这是最常见的，比较有利的反应。此时,亲双烯体的LUMO勺C2和双烯C1上的分子轨道系数大，相互作用强，易于靠近,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xco2ch3meta productPara productco2ch3co2ch325 C ,41d70%10-20 C ,3h95%1mol%AI

23、CI 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HOM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 sTS-tra nsS-cis空间因素CH 3CH 3快103倍，非键张力大。则不影响环加成，有利于采取S-Cis构象如果不反应。贝U不能米取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，亲二烯体上有吸电子基团时，对反应有利，这种电 子基团的

24、互补要求 normal electron demond 。(二烯用HOMOL亲二烯体用LUMO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 。r 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 -NO2炔类：F3CC三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+顺，内向+R02C反式-内向二烯和亲二烯体的立体化学都是保持的CHEn do- 76%CH3exo- 24%CO2CH3Endo-主要产物 exo

25、-次要产物用FMO解释2HOMO4LUMO实线 primary orbital in teract ion虚线 sec on dary orbital in teractio n因此内向加成时，过渡态有 primary orbital in teractio n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。内向外向应用举例斑蝥素Can

26、tharidi neO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H HCO?Me4+2 :NCO2MeN分子内| 4+2hv-N2+ IN、O2MeCO2Me 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6+495%F 卤代烯与丁二烯反应不是（4+2）类型，而是得到环丁烷FF _125 C90% */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 cycloadditi on react ion）环

27、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n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Nitrile oxide azidesdiazometha neRCN6RCNO "+ -e- »-<RNNN=H2 CNNn itr ones硝酮类n itrilim ines睛亚胺RCN-NR虫一 RC例如：N/ch2n2ZMeO 2CCO 2MeMeO 2CCO 2Mer2c=N O RRr2CD-A 一样能够满足电立体化学选律即

28、考虑电子因素，也考虑空间因素，如同 子互补要求最好。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(T -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应。1，3迁移Z是迁移的基团，为氢原子或烷基。1一一6i，i=j表示迁移后c键所连接的两个原子的位置。Cope重排反应23不表示从i迁移至j。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HOM来看待。2是HOMO 4n异面迁移但是几何上不允许，张力大用芳香过渡态理论解释W3为HOMOn同面迁移允