高等有机化学 周环反应

1、 有机反应就是参与反应的各个分子化学键的重新组合，涉有机反应就是参与反应的各个分子化学键的重新组合，涉及原有化学键的断裂和新化学键的形成。有些是一步完成及原有化学键的断裂和新化学键的形成。有些是一步完成的，有的则是多步完成的。反应过程中新键的生成与旧键的，有的则是多步完成的。反应过程中新键的生成与旧键的断裂同时进行。的断裂同时进行。周环反应周环反应: :一些电环化反应、环加成反一些电环化反应、环加成反应以及应以及 - -迁移反应等协同反应，都经过一个环状过渡态而迁移反应等协同反应，都经过一个环状过渡态而进行。进行。 19611961年，年，Havinga Havinga 和和schlatman

2、n schlatmann 等人报等人报道，光甾醇道，光甾醇3 3 经光化经光化学开环生成预钙化甾学开环生成预钙化甾醇醇2 2，后者在光的作，后者在光的作用下够可逆地转化为用下够可逆地转化为麦角甾醇麦角甾醇1 1 。预钙化。预钙化甾醇在加热条件下关甾醇在加热条件下关环生成焦钙化甾醇环生成焦钙化甾醇5 5 和异焦钙化甾醇和异焦钙化甾醇6 6 。2 2 光照发生光照发生1,7 1,7 一氢一氢迁移即得到维生素迁移即得到维生素D D 7 7。光甾醇。光甾醇3 3 的立体的立体异构体异构体4 4 不能转化为不能转化为预钙化甾醇。预钙化甾醇。 （Z , E Z , E ）一）一2 2 ，4 4一己二烯在加

3、热条件下生成顺一一己二烯在加热条件下生成顺一3 3 ，4 4一二甲基环丁烯，在光照条件下则生成反一一二甲基环丁烯，在光照条件下则生成反一3 3 ，4 4一二甲一二甲基环丁烯外消旋体。基环丁烯外消旋体。 电环化反应反应过程中，一个共轭多烯与一个比其少一个电环化反应反应过程中，一个共轭多烯与一个比其少一个碳一碳双键的不饱和环状化合物之间相互转换。碳一碳双键的不饱和环状化合物之间相互转换。 反应特点反应特点：必须在热或光化学条件下发生，具有高度的立：必须在热或光化学条件下发生，具有高度的立体选择性。体选择性。 ( E , Z , E ( E , Z , E ）一）一2 2，4 4，6 6 一辛三烯在

4、加热条件一辛三烯在加热条件下生成顺一下生成顺一5 , 6 5 , 6 一二甲基一一二甲基一1 , 3 1 , 3 一环己二烯，一环己二烯，在光照条件下则生成反一在光照条件下则生成反一5 , 6 5 , 6 一二甲基一一二甲基一1 , 3 1 , 3 一环己二烯外消旋体。一环己二烯外消旋体。 闭环成键的两种方式：闭环成键的两种方式： 例如：例如：1,3 1,3 一丁二烯环化生成环丁烯时，要求一丁二烯环化生成环丁烯时，要求C(1-C(2C(1-C(2）以及以及C(3C(3）一）一C(4C(4）间的化学键围绕着各自的键轴进行旋转，）间的化学键围绕着各自的键轴进行旋转，以便在以便在C(1C(1）一）一

5、C C（4 4）之间形成）之间形成 键而闭环。键而闭环。 此时有两种可能的旋转方式：此时有两种可能的旋转方式： 顺旋顺旋: :围绕着两个键向同一个方向旋转围绕着两个键向同一个方向旋转 对旋对旋: :围绕着两个键分别向不同的方向旋转围绕着两个键分别向不同的方向旋转 许多类似的反应结果都显示出如下的规律许多类似的反应结果都显示出如下的规律: : 根据环化时参与反应的根据环化时参与反应的 电子数是电子数是4n4n或或4n4n2 2（n=1 n=1 ，2 2， 正整数），以及反应的条件是加热或光照，决定该正整数），以及反应的条件是加热或光照，决定该线性共轭多烯的环合或其逆过程是按顺旋还是对旋方式发线性

6、共轭多烯的环合或其逆过程是按顺旋还是对旋方式发生，这些反应的立体化学结果是一定的，而且可以预测。生，这些反应的立体化学结果是一定的，而且可以预测。电环化反应的立体选择规律见表。电环化反应的立体选择规律见表。 一迁移重排一迁移重排: : 指的是在与一个或多个指的是在与一个或多个 键相连的体系中，键相连的体系中，一端的一端的 键移位到另一端，同时协同地发生键移位到另一端，同时协同地发生 键的移位。键的移位。 - -迁移重排也叫迁移重排也叫 - -移变重排反应。移变重排反应。 按照按照Woodward - Hoffmann Woodward - Hoffmann 的命名方法，将的命名方法，将 键两端

7、依次键两端依次从从1 1、1 1 依次标号，通常用依次标号，通常用i,ji,j 来标记来标记 - -迁移的次序，迁移的次序，其中其中i i、j j 分别指出分别指出 键从原来所在的键从原来所在的1 1、1 1 位置迁移到位置迁移到i i、j j位置，位置， 键则同时移位。例如键则同时移位。例如 例如，例如，1, 3 1, 3 一己二烯在加热时转变为一己二烯在加热时转变为2 2，4 4一己二烯，一己二烯，C C ( 5 ( 5 ）上的一个氢原子迁移到）上的一个氢原子迁移到C ( 1 C ( 1 ）上，）上， 键随之移位，键随之移位，这是一个氢原子参加的这是一个氢原子参加的1 , 5 1 , 5

8、一一 迁移，简称为迁移，简称为1,5-1,5-氢迁移。氢迁移。 参加迁移的碳原子在迁移过程中有可伴随构型保持或反转。参加迁移的碳原子在迁移过程中有可伴随构型保持或反转。1 , 31 , 3一同面迁移保留构型时，由于轨道对称性不符一同面迁移保留构型时，由于轨道对称性不符合而不发生反应，但如果迁移基团在过渡态中旋转合而不发生反应，但如果迁移基团在过渡态中旋转9090时时轨道二相位的对称性匹配，从而得到迁移产物。迁移基团轨道二相位的对称性匹配，从而得到迁移产物。迁移基团的构型前后发生反转。的构型前后发生反转。 在各种在各种 迁移反应中，迁移反应中， 3 , 3 - 3 , 3 -迁移最常见，在有机合

9、迁移最常见，在有机合成中的应用也最广泛。尤其是对于立体控制地形成成中的应用也最广泛。尤其是对于立体控制地形成C C 一一C C 键，该反应具有特殊的作用。在反应过程中，形成一个新键，该反应具有特殊的作用。在反应过程中，形成一个新的的C C 一一C C 单键与一个新的单键与一个新的C C 一一C C 双键。著名的双键。著名的Cope Cope 重排、重排、ClaisenClaisen 重排等都属于重排等都属于3 , 3 3 , 3 迁移。迁移。1 , 5 1 , 5 一二烯在一二烯在加热条件下发生加热条件下发生3 , 33 , 3- -重排导致异构化，称为重排导致异构化，称为CopeCope重重

10、排，例如排，例如 该反应是一个立体定向的协同反应，它一瓣经由一个椅式该反应是一个立体定向的协同反应，它一瓣经由一个椅式过渡态进行。例如，从两个过渡态进行。例如，从两个3,4-3,4-二甲基二甲基-1,5-1,5-己二烯分子己二烯分子异构体出发，分别得到不同的异构体出发，分别得到不同的2,6-2,6-辛二烯立体异构产物。辛二烯立体异构产物。内消旋的内消旋的3,4-3,4-二甲基二甲基-1,5-1,5-己二烯通过椅式过渡态，产生己二烯通过椅式过渡态，产生99.7 99.7 的的ciscis，trans-2,6-trans-2,6-辛二烯，而从船式过渡态产生辛二烯，而从船式过渡态产生的的transt

11、rans，trans-2,6 trans-2,6 一辛二烯仅占一辛二烯仅占0.3 0.3 。 Cope Cope 重排是常遇见的一个反应。例如，重排是常遇见的一个反应。例如，1 , 3 1 , 3 一丁二烯一丁二烯二聚得到二聚得到1 1 ，2 2一二乙烯基环丁烷，后者可发生一二乙烯基环丁烷，后者可发生Cope Cope 重排，重排，得到得到1 , 5 1 , 5 一环辛二烯。一环辛二烯。 若分子内存在张力则易重排若分子内存在张力则易重排。顺式二乙烯基环丙烷极不稳。顺式二乙烯基环丙烷极不稳定，经定，经CopeCope重排形成重排形成1,4 1,4 一环庚二烯。例如，二乙烯基环一环庚二烯。例如，二

12、乙烯基环丙烷在丙烷在15 15 时就发生重排。时就发生重排。 Cope Cope 重排是一个可逆的过程，重排是一个可逆的过程，平衡依赖于取代基类型与平衡依赖于取代基类型与两个两个1 , 5 1 , 5 一二烯的相对张力一二烯的相对张力。烯烃的热力学稳定性随取。烯烃的热力学稳定性随取代基及共轭数目的增加而增加。代基及共轭数目的增加而增加。因此平衡通常偏向于生成因此平衡通常偏向于生成具有更多取代基与更多共轭的产物具有更多取代基与更多共轭的产物。例如，加热。例如，加热1,5 1,5 一二一二烯烯30 30 得到新的得到新的1,5 1,5 一二烯一二烯31 31 ，其两个羰基与重排得到的，其两个羰基与

13、重排得到的新烯烃的一个二键发生共轭。新烯烃的一个二键发生共轭。 乙烯基烯丙基醚也可以发生乙烯基烯丙基醚也可以发生3,3 3,3 一一 重排，称为重排，称为ClaisenClaisen 重排重排。该方法提供了一条从烯丙基醇立体选择性。该方法提供了一条从烯丙基醇立体选择性地合成地合成 ,-,-不饱和羰基化合物的路线。与不饱和羰基化合物的路线。与Cope Cope 重排一样，重排一样，反应通过一个环状六元环过渡态的协同历程进行。反应通过一个环状六元环过渡态的协同历程进行。 当烯丙基芳基醚的两个邻位未被取代基占满时，重排主要当烯丙基芳基醚的两个邻位未被取代基占满时，重排主要得到邻位产物。若两个邻位都被

14、占据，那么烯丙基可以迁得到邻位产物。若两个邻位都被占据，那么烯丙基可以迁移到对位上。反应是分步进行的，烯丙基先通过移到对位上。反应是分步进行的，烯丙基先通过ClaisenClaisen 重排迁移至邻位，尔后再经过一次重排迁移至邻位，尔后再经过一次3 , 3 3 , 3 - - 迁移迁移（Cope Cope 重排）到对位，然后经互变异构得到对位烯丙基重排）到对位，然后经互变异构得到对位烯丙基酚。对位、邻位均被占满时不发生此类重排反应。酚。对位、邻位均被占满时不发生此类重排反应。苯酚的烯丙基醚的重排是苯酚的烯丙基醚的重排是ClaisenClaisen 重排最重要的例子。重排最重要的例子。 Clai

15、senClaisen 重排是个协同反应，中间经过一个环状过渡态，重排是个协同反应，中间经过一个环状过渡态，所以芳环上取代基的电子效应对重排无影响。二烯酮中间所以芳环上取代基的电子效应对重排无影响。二烯酮中间体可用亲二烯体顺丁烯二酸酐进行体可用亲二烯体顺丁烯二酸酐进行DielsDiels 一一Alder Alder 反应捕反应捕获。交叉实验证明这一重排是分子内反应而不是分子间反获。交叉实验证明这一重排是分子内反应而不是分子间反应。应。 取代的烯丙基芳基醚重排时，无论原来的烯丙基双键是取代的烯丙基芳基醚重排时，无论原来的烯丙基双键是E-E-构型还是构型还是Z -Z -构型，重排后新形成的双键构型都

16、是构型，重排后新形成的双键构型都是E E ，这，这是因为重排反应所经过的是因为重排反应所经过的六元环状过渡态具有稳定椅式构六元环状过渡态具有稳定椅式构象象。 前面所讨论的电环化、前面所讨论的电环化、 迁移等反应都是发生在同一分子迁移等反应都是发生在同一分子内。内。环加成反应指的是有两个环加成反应指的是有两个 不饱和体系相互反应，两不饱和体系相互反应，两个个 键形成两个键形成两个 键，得到环状化合物，称之为环加成键，得到环状化合物，称之为环加成。 简单分类（按参与环化反应的组分的原子数）：简单分类（按参与环化反应的组分的原子数）： 4 + 24 + 2环加成反应环加成反应：DielsDiels

17、一一Alder Alder 反应反应 2 + 22 + 2环加成反应环加成反应：烯烃的二聚：烯烃的二聚 环加成反应中，两个相互反应的组分分子在靠近过程中，环加成反应中，两个相互反应的组分分子在靠近过程中，有两种方式。一是同面方式，另一种则是异面方式。以有两种方式。一是同面方式，另一种则是异面方式。以D-D-A A 反应为例：反应为例： 正常的正常的D-A D-A 反应通式如下：反应通式如下：EDG:供电子基团供电子基团; EWG:吸电子基团吸电子基团 杂原子取代二烯是杂原子取代二烯是DielsDiels 一一Alder Alder 反应的优良底物。与亲反应的优良底物。与亲二烯体反应速率的提高（

18、与未取代二烯相比）归因于杂原二烯体反应速率的提高（与未取代二烯相比）归因于杂原子取代的供电子效应，促进反应的进行。子取代的供电子效应，促进反应的进行。 逆需电子的逆需电子的III III 型型D-A D-A 反应发生在富电子的亲二烯体和缺反应发生在富电子的亲二烯体和缺电子的二烯之间。反应的基本特征也是两组分具有互补的电子的二烯之间。反应的基本特征也是两组分具有互补的电子性质。电子性质。EDG：供电子基团：供电子基团EWG：吸电子基团：吸电子基团 ( 1 ) ( 1 ) Alder Alder 内向规则内向规则（Alder endoAlder endo principle ) principle

19、 ) Alder Alder 内向规则内向规则：从热力学分析，外型：从热力学分析，外型(exo(exo) )比内型比内型(endo(endo) )异构体稳定，但在最终产物中常常是内型异构体稳定，但在最终产物中常常是内型(endo(endo) )占优势。占优势。例如，马来酸酐和环例如，马来酸酐和环戊二烯加成，产物几戊二烯加成，产物几乎全部是乎全部是endoendo 异构异构体，而热力学更稳定体，而热力学更稳定的的exoexo 产物产率还不产物产率还不到到2 2。开链二烯和环状的亲二烯的加成反应经常是遵循开链二烯和环状的亲二烯的加成反应经常是遵循endoendo 规则的。规则的。Alder Ald

20、er 内向规则也有例外。内向规则也有例外。 （2 2）顺式规则顺式规则顺式规则顺式规则:Diels:Diels 一一Alder Alder 反应具有立体专一性，反应产物反应具有立体专一性，反应产物保留了双烯和亲双烯的相对立体化学。也就是说，含反式取保留了双烯和亲双烯的相对立体化学。也就是说，含反式取代基的亲二烯会得到取代基呈反式构型的加成产物，而含顺代基的亲二烯会得到取代基呈反式构型的加成产物，而含顺式取代基的亲二烯会得到取代基呈顺式构型的产物式取代基的亲二烯会得到取代基呈顺式构型的产物. .例如，环戊二烯和顺例如，环戊二烯和顺丁烯二酸二甲醋反应丁烯二酸二甲醋反应可得到可得到exoexo 和和

21、endoendo 顺式产物，而与富马顺式产物，而与富马酸二甲醋反应，则得酸二甲醋反应，则得到反式构型的加成产到反式构型的加成产物。物。 同样，二烯化合物中的同样，二烯化合物中的1 1 一一4 4一两个取代基的相对构型在一两个取代基的相对构型在DielsDiels 一一Alder Alder 反应中也得以保留。反，反一反应中也得以保留。反，反一1 1 ，4 4一二一二取代二烯得到的加成产物中，取代二烯得到的加成产物中，1 1 ，4 4一二取代基的构型为一二取代基的构型为顺式；而顺，反一顺式；而顺，反一1 1 ，4 4一二取代二烯得到的加成产物中，一二取代二烯得到的加成产物中，1 1 ，4 4一二

22、取代基的构型为反式。一二取代基的构型为反式。+ 不对称的二烯和不对称的亲二烯的加成可以以两种方式进不对称的二烯和不对称的亲二烯的加成可以以两种方式进行，从而得到区域异构产物。行，从而得到区域异构产物。 实际上，往往其中一个异构产物占有绝对优势。例如，实际上，往往其中一个异构产物占有绝对优势。例如，1 1 一取代丁二烯无论取代基的电子性质如何，与一取代丁二烯无论取代基的电子性质如何，与 ， - -不饱不饱和羰基化合物等亲二烯体的环加成时得到的大部分是和羰基化合物等亲二烯体的环加成时得到的大部分是1,2 1,2 - -二取代加成产物二取代加成产物，1,3-1,3-二取代加成产物为次要产物。二取代加成产物为次要产物。 类似地，类似地，2-2-取代丁二烯中无论取代基的电子性质如何，与取代丁二烯中无论取代基的电子性质如何，与丙烯酸甲醋的丙烯酸甲醋的DielsDiels 一一Alder Alder 加成产物主要是加成产物主要是1 1，4-4-二取二取代加成产物。代加成产物。 可见，在多数情况下，将形成可见，在多数情况下，将形成1,2-1,2-或或1 1，4-4-二取代加成产二取代加成产物。这种区域选择性还可以通过假想的电子推一拉模型进物。这