分子轨道对称守恒原理课件

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周

环

反

应Pericyclic

reaction有机化学电环化反应环加成反应σ迁移反应上页

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周

环

反

应周环反应特征：

一步反应，旧键的断裂和新键的生成是同时进行的(协同反应)。周环反应是指在反应过程中旧键的断裂和新键的生成同时进行并且通过环状过渡态的协同反应.新键生成旧键断裂上页

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反应进行的动力是加热或光照。不受溶剂极性影响，不被酸碱所催化，不受任何引发剂的引发。

反应具有很强的立体选择性.顺式上页

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返回退出反式原子轨道组合成分子轨道时，遵守轨道对称守恒原理。即当两个原子轨道的对称性相同(相位相同)时，反应易于发生，两个原子轨道的对称性不同(相位不同)时，反应难于发生。分子轨道对称守恒原理:由1965年德国化学家伍德沃德（R.B.Woodward）和霍夫曼（R.Hoffmann）根据大量实验事实提出。上页

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返回退出分子轨道对称守恒原理:分子轨道对称守恒原理有三种理论解释：前线轨道理论；能量相关理论；休克尔-莫比乌斯结构理论(芳香过渡态理论)。这几种理论各自从不同的角度讨论轨道的对称性,其中前线轨道理论最为简明，易于掌握。分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论是近代有机化学中的重大成果之一。为此，轨道对称守恒原理创始人之一霍夫曼和前线轨道理论的创始人福井谦一共同获得了1981年的诺贝尔化学奖。上页

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返回退出伍德沃德(R.B.Robert

Burns

Woodward

，1917～1979)，美国化学家。伍德沃德一生主要从事天然有机化合物生物碱和甾族化合物结构与合成的研究。1940～1942年间，描述了紫外光谱和分子结构之间的关系。1945～1947年间，伍德沃德测定了青霉素、土霉素、士的宁等12种天然有机化合物的结构。1944～1975年间，他合成了奎宁、胆固醇、肾上腺皮质激素可的松和利血

平、叶绿素、羊毛甾醇、维生素B12等20余种复杂有机化合物，代表了现代合成化学的最高水平。他于1965年与量子化学专

家R·霍夫曼合作提出了分子轨道对称性守恒原理，通常称为伍德沃德—霍夫曼规则。伍德沃德因合成甾醇和叶绿素等有

机化合物的贡献获1965年诺贝尔化学奖。上页

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返回退出福井谦一(Fukui

Keniehi，1918～)，日本化学家。他提出的“前线轨道”概念，并把它发展成为了解分子反应能力和反应过程的强有力的理论。霍夫曼(RoaldHoffmann，1937)，美国化学家，主要从事物质结构的研究。在固体与表面化学方面有突出贡献。1965年他与伍德沃德共同提出了分子轨道对称守恒定律(原理)。霍夫曼与日本东京都大学的福井谦一教授因提出分子

轨道对称守恒原理而共同获得了1981年诺贝尔化学奖。上页

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返回退出前线轨道(Frontier

Molecular

Orbital)理论要点:在化学反应中能量最高的填有电子的轨道和能量最低的空轨道的分子轨道是至关重要的，它

们对分子中旧键的断裂和新键的生成起决定作用。能量最高已占轨道

(H

ighest

O

ccupied

M

olecularOrbital，简称HOMO)上的电子被束缚得最松弛，最容易激发到能量最低的空轨道

(LUnoccupied

Molecular

Orbital，简称LUMO)中去，HOMO和LUMO称为前线分子轨道(简称FMO)。上页

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返回退出丁二烯的分子轨道图上页

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返回退出13.1

电环化反应定义:

在光或热作用下，共轭烯烃转变为环烯烃或其逆反应——环烯烃开环变为共轭烯烃的反应。反应过程中sp2杂化轨道与sp3杂化轨道相互转化、π电子与σ电子的相互转化，伴随π键的重新组合。反应加热条件下不能进行上页

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返回退出反应光照条件下不能进行产物的立体构型与共轭体系中的

π电子数有关,也与反应条件有关.反应加热条件下不能进行反应光照条件下不能进行上页

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返回退出顺旋是指两个键向同一方向旋转p轨道丁二烯电环化成环丁烯时，要求C1—C2，C3—C4沿着各自的键轴旋转，使C1和C4的p轨道逐渐变为sp3杂化轨道互相重叠形成一个新的σ键。sp3杂上页

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返回退出化轨道13.1.1 含4n个π电子体系的电环化对旋是指两个键向不同方向旋转p轨道sp3杂化轨道上页

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返回退出反应是顺旋还是对旋，取决于分子是基态还是激发态时的HOMO轨道的对称性。基态时丁二烯

(4n体系)HOMO为ψ2加热条件下，顺旋对称允许上页

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返回退出基态时丁二烯

(4n体系)HOMO为ψ2加热条件下，对旋对称禁阻上页

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下页返回退出激发态时丁二烯

(4n体系)HOMO为ψ3光照条件下，对旋对称允许上页

下页返回退出激发态时丁二烯

(4n体系)HOMO为ψ3光照条件下，顺旋对称禁阻上页

下页返回退出例如:上页

下页返回退出含有π电子数为4n的共轭多烯烃体系的电环化反应的方式：光对旋热顺旋上页

下页返回退出【例13-1】完成下列合成解：对比原料和目标分子的结构，二者的区别在于一个甲基的构型发生了变化，根据电环化反应立体选择性由反应条件是加热还是光照来决定的特点，合成路线如下：上页

下页返回退出13.1.2 含4n+2个π电子体系的电环化反，顺，反-2，4，6-辛三烯的分子轨道图上页

下页返回退出4n+2体系，加热条件下，对旋对称允许基态时ψ3是HOMO，对旋轨道对称性允许：上页

下页返回退出4n+2体系，光照条件下，顺旋对称允许基态时ψ4是HOMO，顺旋轨道对称性允许：上页

下页返回退出【例13-2】完成下列反应：解：在判断反应条件之前，应先确定π电子数，关环反应的π电子数由反应物决定，开环反应的π电子数由产物决定，并且可先将电环化产物中的H标出，这样可以方便判断反应条件。完整的反应式为：上页

下页返回退出13.1.3电环化反应的立体选择性规律

电子数热反应光反应4n顺旋对旋4n+2对旋顺旋注意：电环化反应是可逆反应4n个π电子的共轭体系 含4n+2个π电子的共轭体系上页

下页返回退出加热(基 态)：顺旋光照(激发态)：对旋加热(基态)：对旋光照(激发态)：顺旋13.2

环加成反应定义：在光或热作用下，两个

电子共轭体系的两端同时生成

键而形成环状化合物的反应。[2+2]环加成[4+2]环加成

电子数上页

下页返回退出2242

电子数环加成的立体选择性表示：同面加成(异s)

面加成(a)同面加成：加成时，

π键以同

侧的两个

轨道瓣发

生加成。异面加成：加成时,

π键以异侧的两个轨道瓣发生加成。上页

下页返回退出[

2+2

]

环加成反应，热反应对称禁阻，光反应对称允许。在环加成反应中起决定作用的FMO是一个分子的HOMO和另一个分子的LUMO，电子由一个分子的HOMO流向另一个分子的

LUMO，并要求轨道必须同相重叠，此外两作用轨道能量必

须接近。13.2.1

[2+2]环加成反应以乙烯的二聚为例：上页

下页返回退出例:上页

下页返回退出13.2.2

[

4+2

] 环加成 (4n+2体系)以D-A反应为例说明:D-A反应是一类非常容易进行且空间定向很强的顺式加成的热反应。上页

下页返回退出[4+2]环加成，热反应同面-同面加成，对称允许上页

下页返回退出[4+2]环加成，光反应同面-同面加成，对称禁阻上页

下页返回退出一般Diels-Alder反应由双烯体提供HOMO，亲双烯体提供LUMO。难反应，产率低吸电子基可降低亲双烯体LUMO能量;

给电子基可升高双烯体HOMO能量, 使反应容易进行。上页

下页返回退出【例13-3】下列化合物可与环己烯发生D-A反应，请按反应难易程度将它们排序：解：在D-A反应中，双烯体上的供电子基使反应易于进行，吸电子基使反应难于进行，因此上述化合物反应活性顺序为：B

>

A

>

D

>

C上页

下页返回退出[4+2]环加成反应的立体化学（1）D-A反应具有立体专一性，产物保留了双烯体上和亲双烯体的相对立体化学顺式顺式反式反式上页

下页返回退出（2）环状的双烯体与亲双烯体环加成时，产生内型（endo）和外型（exo）两种异构体，但在最终产物中，内型异构体占优势。内型(>98.5%)外型(<1.5%)上页

下页返回退出（3）取代基取代的双烯体与亲双烯体环加成时具有区域选择性。1-取代双烯体主产物2-取代双烯体主产物上页

下页返回退出*同面-异面加成的立体选择与同面-同面情况相反。上页

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电子数热反应光反应4n+2允许禁阻4n禁阻允许[小结]环加成反应的立体选择性(同面-同面)定义：加热或光照下一个σ键上所连的氢原子或其它基团通过一个同时连接的

体系的两端的环状过渡态而迁移的反应。σ键的迁移一般沿共轭体系进行，迁移的同时，还伴随

键的协同转移：13.3

σ-

键迁移反应上页

下页返回退出σ键的迁移反应的分类:上页

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下页返回退出迁移方式：迁移基团在

体系的同侧进行上页

下页返回退出迁移基团在

体系的两侧进行同面迁移异面迁移13.3.1

H[1,

j]

迁移定义：一个氢原子在一个奇数碳共轭体系自由基上的移动。基态时，奇数

碳共轭体系含

有单电子的非键轨道(NBMO)是前线轨道，它的对称性决

定[1,

j]

迁移的难易和途径。上页

下页返回退出烯丙基自由基的分子轨道加热反应(基态)时，

HOMO轨道为ψ2，[1,3

]σ键氢的异面迁移是允许的。光反应(激发态)时，

HOMO轨道为ψ3，[1,3

]σ键氢的同面迁移是允许的。H的[1,3]迁移：上页

下页返回退出戊二烯自由基的分子轨道H的[1,5]迁移上页

下页返回退出加热反应(基态)时，

HOMO轨道为ψ3，[1,3

]σ键氢的同面迁移是允许的。光反应(激发态)时，

HOMO轨道为ψ4，[1,5

]σ键氢的异面迁移是允许的。上页

下页返回退出[小结]H[1+j]

迁移选择规则：加热 光照异面迁移 同面迁移加热 光照同面迁移 异面迁移电子数(1，j)反应条件立体选择4n

[1,3]加热光照异面迁移同面迁移4n+2[1,5]加热光照同面迁移异面迁移上页

下页返回退出1.3.2

C[1,j]

迁移定义：一个烷基(自由基)在一个奇数碳共轭体系自由基上的移动。加热条件下：对称性允许同面构型翻转上页

下页返回退出1.3.2

C[1,j]

迁移对称性允许同面构型保留C[1,5]

迁移：加热条件下：上页

下页返回退出将相互作用的体系看作两个烯丙基轨道对称性允许同面迁移反应13.3.3 [3，3]σ迁移反应加热时(