前线分子轨道理论与Click反应

1、前线分子轨道理论与Click反应 有机化学反应的本质有机化学反应的本质 分子轨道 旧化学键的旧化学键的 断裂和新断裂和新 化学键的化学键的 形成形成 分子原子 化学键 组成分子的组成分子的 原子重新原子重新 组合形成组合形成 新的分子新的分子 分子轨道分子轨道 重新组合重新组合 的过程的过程 有机化学主要反应机理类型有机化学主要反应机理类型 有机反应的类型： 离子型反应 自由基型反应 周环反应 反应过程中不存在任何中间体，键的形成 与断裂是同时进行的，只经过一个过渡态的反应 如SN2, E2和Diels-Alder反应。 周环反应:在化学反应过程中,能形成环状的过渡态的协 同反应。 分析周环反

2、应和离子反应、自由基反应不同，要使用 分子轨道理论 离子型反应 自由基型反应 CH2 C+ _ C O O CH2 稳定的或不稳 定的中间体 周环反应周环反应 前线分子轨道理论描前线分子轨道理论描 述周环反应的过程述周环反应的过程 周环反应的特征周环反应的特征 反应过程中没有自由基或离子等活性中间体产生，为 多中心的一步完成的协同反应。 反应不受溶剂极性影响，不被酸碱所催化，也不受自 由基引发剂和抑制剂的影响。 反应进行的动力是加热或光照。 反应具有高度的立体专一性，加热和光照下分别 生成不同的立体异构体。 周环反应周环反应 周环反应的分类周环反应的分类 + 电环化反应电环化反应 环加成反应环

3、加成反应 迁移反应迁移反应 周环反应的理论基础周环反应的理论基础 分子轨道对称守恒原理的中心内容： 化学反应是分子轨道重新组合的过程，化学反应是分子轨道重新组合的过程，分子轨道的对称性分子轨道的对称性控制着控制着 化学反应的进程，在一个协同反应中，化学反应的进程，在一个协同反应中，分子轨道对称性守恒。分子轨道对称性守恒。 理论基础 1.轨道能级相关图 2.前线轨道理论 3.Hckel-Mbius芳香过渡态理论。 分子轨道对称守恒原理分子轨道对称守恒原理 前线轨道理论前线轨道理论 前线轨道和前线电子前线轨道和前线电子 最高占有轨道最高占有轨道HOMO 最低未占有轨道最低未占有轨道LUMO 前线轨

4、道理论的中心思想前线轨道理论的中心思想 前线轨道FOMO 前线轨道理论认为：分子中有类似于单个原子的 “价电子”的电子存在，分子的价电子就是前线电子， 因此在分子之间的化学反应过程中，最先作用的分子 轨道是前线轨道，起关键作用的电子是前线电子 电环化反应电环化反应 + + + + + + + + + E E1 E2 E3 E4 基态 激发态 1 2 3 4 HOMO LUMO LUMO HOMO 1,3-丁二烯在加热条件下，HOMO为2，LUMO为*3;而在光 照下,发生电子跃迁,*3为HOMO, *4为LUMO。 4n4n电子体系电子体系 4n电子体系在加 热情况下顺旋对 称允许，对旋对 称

5、禁阻 4n电子体系在光 照情况下对旋允 许，顺旋禁阻 + + + + + + + 顺旋 对旋 + + + + + + + + + + + + + + 顺旋 对旋 + + + + + + + hv hv 加热情况下（基态）：加热情况下（基态）： 光照情况下（激发态）：光照情况下（激发态）： 顺顺反反 内向内向外向外向 4n体系电环化反应 小结小结: :加热加热- -顺旋顺旋, ,光照光照- -对旋对旋 4n+24n+2电子体系电子体系 + + + + + + + + + + + + + + + E E4 E5 E6 HOMO LUMO LUMO + + + + + + E1 E2 E3HOMO

6、基态基态 激发态激发态 4n+2电子体系在加热 情况下对旋允许； + + + + + + + 顺旋 hv + + + + + + 对旋 4n+2电子体系在光照情 况下顺旋对称允许 加热情况下（基态）： 光照情况下（激发态）：光照情况下（激发态）： 内向对旋内向对旋外向对旋外向对旋 顺时针顺旋顺时针顺旋反时针顺旋反时针顺旋 4n+2体系电环化反应体系电环化反应 小结小结: :加热加热- -对旋对旋, ,光照光照- -顺旋顺旋 Woodward-Hoffmann 规则规则 Woodward-Hoffmann 规则: 4n电子体系加热顺旋、光照对旋 结构转化结构转化(4n(4n体系体系) ) Woo

7、dward-Hoffmann 规则: 4n+2电子体系加热对旋、光照顺旋 结构转化结构转化(4n+2(4n+2体系体系) ) 影响电环化的因素影响电环化的因素 空间位阻 空间位阻大的不易形成 位阻较大位阻较大 位阻较小位阻较小 热力学稳定性 电环化反应是可逆反应，反应向哪一方向进行取决于共轭 多烯烃和环烯烃的热力学稳定性。环丁烯由于环的张力较大，与 1，3-丁二烯相比是不稳定的体系，因此，在热反应中通常只观 察到环丁烯的开环。 丁二烯关环成环丁烯的反应，只知道很少几个例子：Z，E-1， 3-环辛二烯由于含有环内反式双键，张力很大，加热到80度可以 环化 但在光的作用下，丁二烯及其衍生物按对旋的

8、方式变为环丁烯及其 衍生物。这一反应大多数是形成关环化和物，而逆向开环反应则不 易发生。这是由于双烯比烯吸收光的力量更强，因此双烯容易被激 化。由于逆向反应是热禁阻的，所以应当预料到，产物非常稳定。 这是合成环系的有效方法。 光稳定性光稳定性 电环化反应在有机合成中的应电环化反应在有机合成中的应 用用 环加成反应环加成反应 4+2 环加成反应环加成反应 2+2 环加成反应环加成反应 1,3-1,3-偶极环加成反应偶极环加成反应 + + O O O O O O + O O O O O O + 环加成反应:在光或热的作用下,两个或多个带有双键、共轭双键 或孤对电子的分子相互作用，形成一个稳定的环状

9、化合物的反应 分子间进行分子间进行协同反应协同反应的原则的原则 两个分子发生环加成反应时，起决定作用的轨 道是一个分子的HOMO和另一个分子的LUMO， 反应过程中电子由一个分子的HOMO流入另一个 分子的LUMO。 当两个分子相互作用形成键时，两个起决定作 用的轨道必须发生同位相重叠。 相互作用的两个轨道，能量必须接近，能量越 接近，反应越易进行。 2+22+2环加成环加成 乙烯与乙烯的乙烯与乙烯的2+22+2环加成加成反应环加成加成反应: :在加热时在加热时，由，由 于于HOMO与与LUMO的对称性不匹配，的对称性不匹配，不能反应不能反应；在在 光照时光照时，激发态的激发态的HOMO与基态

10、的与基态的LUMO的对称匹的对称匹 配，配，能发生反应能发生反应 基态(加热)： 乙烯A的HOMO1 乙烯B的LUMO2 加热条件下的2+2环加成是轨道对称性禁阻的途径 激发态(光照)： (激发态)乙烯B的HOMO1 (基态) 乙烯A的LUMO2 光照条件下的2+2环加成是轨道对称性允许的途径 4+24+2环加成反应环加成反应 + 德国有机化学家德国有机化学家Diels和和Alder发现该反应，称为发现该反应，称为 Diels-Alder反应，又称双烯合成反应。两人同时获得反应，又称双烯合成反应。两人同时获得 19501950年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 反应条件：加热反应条件：加热 该反

11、应是可逆的，正向成环反应的温度较低，逆该反应是可逆的，正向成环反应的温度较低，逆 向开环反映的温度较高，是共轭二烯烃特有的反应向开环反映的温度较高，是共轭二烯烃特有的反应 合成六元环状化合物的重要方法合成六元环状化合物的重要方法 基态时乙烯与丁二烯的基态时乙烯与丁二烯的FOMO 参与加成反应的是一个分子的参与加成反应的是一个分子的HOMO和另一个分子的和另一个分子的LUMO， 电子由一个分子的电子由一个分子的HOMO流向另一个分子的流向另一个分子的LUMO。两分子相。两分子相 互作用时，轨道必须同相重叠。互作用时，轨道必须同相重叠。 两作用轨道能量必须接近。正常的两作用轨道能量必须接近。正常的

12、Diels-Alder反应由双烯体提供反应由双烯体提供 HOMO，亲双烯体提供，亲双烯体提供LUMO。 热允许的热允许的4+24+2环加成环加成 基态(加热)： 丁二烯： 乙烯: 加热条件下的4+2环加成是轨道对称性允许的途径 激发态(光照)： 丁二烯： 乙烯: 情况一：丁二烯激发乙烯不激发。 光禁阻的光禁阻的4+24+2环加成环加成 丁二烯： 乙烯: 情况二：乙烯激发丁二乙烯不激发。 光照条件下的4+2环加成是轨道对称性禁阻的途径。 光禁阻的4+2环加成 环加成反应的规律环加成反应的规律 电子总数电子总数 热反应热反应光反应光反应 4n2+24n2+2等等 禁阻禁阻 允许允许 4n+24+2

13、4n+24+2等等允许允许禁阻禁阻 环加成反应为顺式加成。 逆反应的规律与环加成规律相同。 一、加成方式 1. 同面/同面环加成 （s+s） 反应在键的同一面发生，生成的新键处于反应 体系的同一面叫同面加成。 加成方位为同面(s) 同面/同面(s + s) 同面/同面(s + s) 环加成反应的立体化学规则 R3 R3 R4 R4 R2R2 R1R1 R1 R1 R2R2 R3 R3 R4R4 4S+2S 产物里丁二烯与乙烯部分的 构型保持不变 2.同面/异面加成（s+a） 反应在键的异侧进行，生成的新键在反应体系的相反两面叫 采用异面加成的分子在产物里的构型发生反转 (a) (s + a)

14、3. 异面/异面环加成（a+a） (a + a) 二、芳香过渡态理论的解释 1同面/同面的环加成 m n 位相变化两次（或零次），属于休克尔环， 总电子数（4n+2)为加热允许，而4n 为加热禁阻。 n nm m总总电子数电子数表达式表达式A/FA/F 0 01 16 622S S+4+4S SA A 0 03 3101022S S+8+8S SA A 1 12 2101044S S+6+6S SA A 0 00 04 422S S+2+2S SF F 0 02 28 822S+ S+6 6S SF F (m+n)为偶数时，为4n电子，热禁阻； (n+m)为奇数时，为(4n+2)电子数，热允许

15、 2.同面/异面环加成 n m 位相变化一次，莫氏环，n+m为偶数时， 为4n电子，热允许；n+m为奇数时， 电子数为4n+2，热禁阻 两个乙烯分子以相互垂直的方式（2S+2a）进行环加成， 理论上是热允许的。 H H HH H H H H 三、前线轨道理论对环加成的解释 （一）4+2 1. 同面/同面环加成 HOMO LUMO （4S+2S） 热允许 HOMO LUMO （4S+2S） 热允许 2. 同面/异面环加成 HOMO LUMO 4s+2a 4a+2s LUMO HOMO 4s+2a 4a+2s 1,3-丁二烯 基态基态 4* 3* 2 1 hv HOMO LUMO 4* 3* 2

16、1 激发态激发态 SOMO SOMO (激发态LUMO) (激发态HOMO) 2* 1 hv SOMO(激激发发态态HOMO) SOMO( (激激发发态态LUMO) 乙烯 基态基态激发态激发态 4s+2a HOMO(激激发发态态LUMO) ) LUMO(基基态态) ) HOMO(激激发发态态LUMO) ) LUMO(基基态态) ) 4a+2s 重大一级微扰作用发生在 。 (2)丁二烯用基态HOMO或LUMO，而丁二烯用激发 态SOMO轨道，结论相同。 SOMO(激激发发态态HOMO) ) HOMO(基 基态态) ) 4a+2s SOMO(激激发发态态HOMO) ) HOMO(基 基态态) )

17、4s+2a 4s+2s光照下是禁阻 （二）乙烯+乙烯（2+2） 1.同面/同面 HOMO LUMO 2s+2s 热禁阻 SOMO LUMO 2. 同面/异面 HOMO LUMO 2s+2a 热允许 SOMO LUMO 2s+2a 光禁阻 在环加成中如果可能有两种异构体加成物，则在过渡态 中不饱和单元彼此靠近的那个异构体形成较快。 O O O + HH O O O + O H H O O 动动力力学学 控控制制 内式（主） 外式（次） O O O H H 过渡态 最大不饱和度规则（内式加成） 五、Diels-Alder反应的顺式加成规则 O+ C C HC H O OEt C O OEt H H

18、 H COOEt COOEt 2s+4s O O O H H 4+2环加成反应的规律环加成反应的规律: : 当双烯体上有给电子基团时，会使其当双烯体上有给电子基团时，会使其HOMO能量升高，能量升高， 而亲双烯体的不饱和碳原子上连有吸电子基团时，会使它而亲双烯体的不饱和碳原子上连有吸电子基团时，会使它 的的LUMO能量下降，反应容易进行能量下降，反应容易进行 + CN CN 双烯体双烯体亲双烯体亲双烯体 当双烯体上有吸电子基团时，会使其当双烯体上有吸电子基团时，会使其LUMO能量下降，能量下降， 而亲双烯体的不饱和碳原子上连有给电子基团时，会使它而亲双烯体的不饱和碳原子上连有给电子基团时，会使

19、它 的的HOMO能量升高，反应也容易进行能量升高，反应也容易进行 CN + CH3 CN CH3 只有当双烯体及亲双烯体上的取代基均为给电子基只有当双烯体及亲双烯体上的取代基均为给电子基 或均为吸电子基时，间位产物才可能变为主要产物，或均为吸电子基时，间位产物才可能变为主要产物， 但反应速率很慢但反应速率很慢 + COOH CN COOH CN + CN CN CN CN + OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 4+2 4+2 环加成反应产物的构型：环加成反应产物的构型： Diels-Alder反应是立体专一性的反应是立体专一性的顺式加成反应顺式加成反应，共轭，共轭 二烯和亲双烯体中的二烯

20、和亲双烯体中的取代基的立体关系均保持不变取代基的立体关系均保持不变 + CO2CH3 CO2CH3 CO2CH3 CO2CH3 H H 保持构型保持构型 + HCOOCH3 H3COOCH H H COOCH3 COOCH3 + X Y X Y X=给电子基 Y=吸电子基 双烯合成的方位选择性（区域选择性）双烯合成的方位选择性（区域选择性） 1-1-位取代二烯位取代二烯，当取代基，当取代基X为给电子基团时，与双键上为给电子基团时，与双键上 有吸电子基的亲双烯体起反应，主要有吸电子基的亲双烯体起反应，主要生成生成“邻邻”位加成产位加成产 物物 2-2-位取代二烯，当位取代二烯，当取代基取代基X

21、X为排斥电子基团时，与双键上有为排斥电子基团时，与双键上有 吸电子基的亲双烯体起反应时，主要生成吸电子基的亲双烯体起反应时，主要生成“对对”位加成产位加成产 物物 + X Y X Y X=给电子基 Y=吸电子基 + CHOCHO CH3 CH3 CHO CH3 ： CHO N.R CHO N.R N.R CHO 在加成反应中要求共轭二烯必须以在加成反应中要求共轭二烯必须以S S顺式构象顺式构象 存在才能发生反应存在才能发生反应 + CHO CHO 1,3-1,3-偶极环加成反应偶极环加成反应 臭氧臭氧, ,重氮化合物和叠氮化合物等重氮化合物和叠氮化合物等 1,3-1,3-偶极化合偶极化合 物可

22、看成为物可看成为4n4n体系，它们与亲双烯体反应是对称允许体系，它们与亲双烯体反应是对称允许 的，生成五元杂环化合物的，生成五元杂环化合物 R C N O +- R C N O - + R N N N - + R N N N -+ R C N R N +- R C N N -+ R 腈氧化物腈氧化物 重氮化合物 重氮烷化合物 R N N N RR N N N R CN + N N CH2 + - N N CN CN + N N RN + - RN N N CN + + - 反应是协同的同面4+2反应，反应物为1,3-偶极分子和 亲偶极体。 1,3-偶极分子的1和3原子带有相反电荷，具有离子结构

23、。 a b c- + d=e 4 a b c e d 2 CC CH3 CH3OOC CH3 COOCH3 CH2=N=N + + MeOOC CO2Me CH3 CH3 N N 1,3-偶极加成 迁移反应 同面迁移：迁移的原子或基团 在体系的同一侧生成新键异面 迁移：迁移的原子或基团在体 系的另一侧生成新键发生同面 迁移或异面迁移取决于体系的 轨道对称性 在化学反应中，一个键 沿着共轭体系由一个位置 转移到另一个位置，同时 伴随着键转移的反应称 为迁移反应。 一个由键连结的基团通过重排到达-共轭体 系的末端，同时双键移位。 1，j-迁移 R 1 2 3 R 1 2 3 1,3-烷基迁移 R

24、1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 R 1.5-烷基迁移 键从两个共轭体系的始端移到终端，同时双键移动。 3. i，j-迁移 3,3- 迁移 1 2 3 1 2 3 N 1 2 3 N R 12 N RN 2,3- 迁移 1 2 3 3 2 1 1 2 3 如果在整个反应过程中，迁移基团始终保持在 共轭体系的同一面的迁移叫同面迁移。 同面迁移 a b c a b c a b c 1,3-同面氢迁移 b a H c dd a b H c 同面构型保持迁移(sr) migration of suprafacil retention a b c a b c a b c 在迁移过程中迁移中基团迁向

25、共轭体系的反面叫异面迁移。 5异面迁移 1,3-异面氢迁移 b Hc d H a b c d a 同面构型翻转迁移(si) migration of suprafacil invertion a c ba c b a c b 异面构型翻转迁移(av) Migration of antarafacil retention a c b a c b a c b 异面构型保持迁移(ai) migration of antarafacil invertion 氢的s轨道为球形对称，无构型问题，存在同面迁移和异面迁 移.当过渡态的环大于八元环时，可能发生异面迁移 11.3.2 允许与禁阻的条件 1氢迁移

26、1,3同面氢迁移的过渡态 1,3同面氢迁移的过渡态为休克尔环，4电子， 反芳香性，热禁阻，但在光照条件下是允许的。 1,3异面氢迁移的过渡态 O D H hv O D H 1,3异面氢迁移的过渡态为莫比乌斯环，芳香性， 热允许.由于立体因素，发生异面迁移的可能性较 小。 1,5同面氢迁移的过渡态 1,5同面氢迁移,芳香性,热允许的,光禁阻 的。 相反1.5异面迁移是热禁阻的，光允许。 1,5异面氢迁移的过渡态 1,7同面氢迁移，休克尔环，反芳香性，是热禁阻。 1,7同面氢迁移的过渡态1,7异面氢迁移的过渡态 1,7异面氢迁移，莫氏环，芳香性是热允许的。 结论: 1, j氢迁移，1+j=4n，同

27、面是热禁阻的，异面是 热允许； 1+j=4n+2，同面是热允许的，异面是热禁阻的。 烷基迁移 sr-休氏环si-莫氏环ar-莫氏环 ai-休氏环 迁移方式迁移方式过渡态所属体系过渡态所属体系 选择规则选择规则 i+j=4ni+j=4n+2 sr休氏休氏热禁阻热禁阻热允许热允许 si莫氏莫氏热允许热允许热禁阻热禁阻 ar莫氏莫氏热允许热允许热禁阻热禁阻 ai休氏休氏热禁阻热禁阻热允许热允许 3，3迁移 i，j迁移 同面/同面迁移的过渡态 3.3 -迁移发生同面/同面迁移时，其过渡态 为休氏环，6电子，芳香性，热允许，光禁阻； 当发生同面/异面迁移时，其过渡态为莫氏环， 6电子，反芳香性，热禁阻，

28、光允许； 一般情况上发生异面/异面迁移的可能性极小。 同面/同异面迁移的过渡态 选择规则 i,ji,j迁移的迁移的 电子数电子数同面同面/ /同面同面同面同面/ /异面异面异面异面/ /异面异面 4n4n热禁阻热禁阻热允许热允许热禁阻热禁阻 4n+24n+2热允许热允许热禁阻热禁阻热允许热允许 Claisen重排（烯丙基乙烯基醚重排） OOO 1 2 3 1 2 3 3,3- 迁移 CH2 O * O H CH2CH=CH2 OH CH2CH=CH2 * * CH CH2 Claisen重排为分子内重排 Click Reaction: : What is click chemistry? Cl

29、ick Chemistry is a new method of combinatorial chemistry on the basis of heteroatom links CXC. The goal is to achieve molecular diversity of a wide range with some simple, reliable and selective reaction. 研究领域 :手性催化氧化 2001年获得诺贝尔化学奖 Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40: 2004 -2021. R N N N R Cui-Zeolite R

30、N N N R 点击化学的反应类型: 环加成反应 O O O O + O N O O O O O O O n N O O O O O O O n O O O O + O DMF 120C 36h Diels-Alder (D-A) 反应; Tunca U, et al. Macromolecules, 2007, 40: 191198. 张力杂环与亲核试剂的开环反应 OO NaN3, NH4Cl H2O, reflux OH HON3 N3 Fokin V V, Chem. Rev., 2009, 109: 725748. 点击化学的反应类型 碳碳多重键的加成反应 环氧化作用、二羟基化反应、氮

31、杂环丙烷化反应等等 硫醇-烯化学反应（thiol-ene chemistry） NN N O OO HOOH HS Ph O MeOOMe Ph hv (30 min.) Solvent-Free NN N O OOS OH OH S HO OH S HO OH 反应无需金属催化剂； 可以在无溶剂条件下进行； 并且能够通过光引发和控制。 Hawker C J, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130: 50625064. 1,3 偶极环加成反应 高效的手性催化剂高效的手性催化剂 点击化学的反应类型 点击化学的反应类型: 羰基化合物的缩合反应 醛（酮）与二醇在酸性条件下缩合形成

32、缩醛（酮） O+ HO OH H3CSO3H O O +H2O 醛（酮）与氨的衍生物反应形成腙、肟和脲 O NH2NH2, NaOH (HOCH2CH2)2O, NNH2 -N2 N P N P N P NN N N N N CH3 NH2NH2 H3C H2N H2N CH3 NH2 CH3 NH2 CH3 H3C + RCHO CH2Cl2 N P N P N P NN N N N N CH3 NN H3C N N CH3 N CH3 N CH3 H3C RR R R R R R = FF F F F Krishnan V, et al. Crystal Growth 不需要金属催化; 显

33、示出独特的溶致变色效应; 分子内电荷转移使其显示出 双光子吸收特性 Tang B Z, Macromolecules, 2007, 40: 23082317. 点击化学在有机/聚合 物半导体材料 中的应用 N N N C8H17 C8H17 N3 C8H17 C8H17 n N N N C8H17 C8H17 N C8H17 C8H17 n N N DSSCs:功率转换效率(4.62%) Jin S H, et al. Macromol. Chem. Phys., 2008, 209: 19671975. 功率转换效率:4.02% 点击化学在有机/聚合 物半导体材料中的应用 NN NN NN

34、* N * n C12H25 C12H25 C12H25 C12H25 N3 N3 + N Cu / Cu(OAc)2 THF, MeCN 6h, 250C Reek J N H, et al. Chem. Comm., 2005, 43334335. James T. Fletcher, Organometallics 2008, 27, 54305433. 周环反应小结周环反应小结 反应类型反应类型 电子数电子数加热（基态）加热（基态）光照（激发态）光照（激发态） 电环化电环化 4n 4n+2 顺旋顺旋 对旋对旋顺旋 对旋 环加成环加成 （同面）（同面） 4n 4n+2 禁阻禁阻 允许允许禁阻 允许 -H 迁移迁移 1,3 H 迁移迁移异面迁