高等有机第七章-周环反应

1、第七章第七章 周环反应周环反应第一节第一节 电环化电环化定义：线状定义：线状p p电子共轭体系的两端形成一个单键和其逆反应。电子共轭体系的两端形成一个单键和其逆反应。例如，环丁烯在加热条件下开环成丁二烯：例如，环丁烯在加热条件下开环成丁二烯：CH3HCH3H175oCCH3HCH3HCH3HHCH3175oCCH3HHCH34n4n体系体系加热加热顺旋顺旋conrotatory环丁烯热解开环，小环张力得以释放，对简单烷基取代的环丁烯环丁烯热解开环，小环张力得以释放，对简单烷基取代的环丁烯活化能在活化能在30-35Kcal/mol.如产物的结构特征限制了顺旋开环方式，则开环需更高稳定，反如产物的

2、结构特征限制了顺旋开环方式，则开环需更高稳定，反应不一定按协同方式进行。应不一定按协同方式进行。 中等以下环内反式双键，扭曲张力大，反应不能进行。.400oC顺旋顺旋HHHH丁二烯关环成环丁烯的过程也是顺旋的丁二烯关环成环丁烯的过程也是顺旋的HH80oC热力学不利热力学有利环内反式双键的张力得以释放环内反式双键的张力得以释放4n + 2体系对旋成环体系对旋成环disrotatory1,3,5-己三烯的电环化生成己三烯的电环化生成1,3-环己二烯，加热时按对旋方式成环。环己二烯，加热时按对旋方式成环。此关环反应通常在能量上是有利的，因为环己二烯比此关环反应通常在能量上是有利的，因为环己二烯比1,

3、3,5-己三烯己三烯具有更大的热力学稳定性。具有更大的热力学稳定性。(原料：原料：5个个s s键，键，3 3个个p p键；产物：键；产物：6 6个个s s键，键，2 2个个p p键键.).)HCH3CH3HCH3CH3132oCCH3CH3178oCCH3CH3HH在环丁烯顺旋开环成丁二烯时，有两种顺旋方式：HYYYor空间效应一般是大基团向外旋转有利，即生成E构型产物为主。Dewer苯但理论计算表明给电子基倾向向外旋转，吸电子基（Y=CHO, CF3)倾向向里旋转。(J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 2099. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106,

4、 7989.)FCF3FFFCF3FCF3CF3FFFF3CCF3FFFF双环双环2,2,0-2,5-己二烯是苯的构造异构体，称为己二烯是苯的构造异构体，称为Dewar苯。很多苯。很多试图合成试图合成Dewar苯的实验均未成功，直到苯的实验均未成功，直到1962年，年，Tamelen和和Pappas通过通过1,2,4-三叔丁基苯光解分离了一种稳定的三叔丁基苯光解分离了一种稳定的Dewar苯衍苯衍生物生物C(CH3)3C(CH3)3C(CH3)3hvC(CH3)3C(CH3)3C(CH3)3此化合物比较稳定，只此化合物比较稳定，只有当加热时才转换成其有当加热时才转换成其取代苯原料。稳定性部取代苯

5、原料。稳定性部分可归功于空间因素。分可归功于空间因素。在在Dewar苯结构中叔丁苯结构中叔丁基的距离比苯中更远。基的距离比苯中更远。没有取代的Dewar苯在1963年被制备：COOCOhvOCHHCOOPb(OAc)4HH没有取代的没有取代的Dewar苯在苯在25oC寿命为寿命为2天，转换为苯的天，转换为苯的H = 23Kcal/mol.这个热力学稳定性比人们预计的高很多，原因是在加热条件下，这个热力学稳定性比人们预计的高很多，原因是在加热条件下，Dewar苯是顺苯是顺旋开环，得到旋开环，得到Z,Z,E环己三烯，而对旋生成苯的反应是禁阻的。环己三烯，而对旋生成苯的反应是禁阻的。因此，开环成苯可

6、能经历了游离基历程。因此，开环成苯可能经历了游离基历程。RRRR共价互变R=H，k平 310 3 (100) R= CN，CF3 平衡向双环方向移动J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 5099.和1980, 102, 331.Tetrahedron Lett. 1981, 22, 4981.HHHH顺旋开环环庚三烯与双环4.1.0-2,4-庚二烯之间快速互变平衡：这个电环化转变的能量非常低，室温下即可互变，当这个电环化转变的能量非常低，室温下即可互变，当R=CO2Me时，活化能为时，活化能为7Kcal/mol. 这是共价互变（这是共价互变（Valence tautomeri

7、sm),即一个快速的成键电子重即一个快速的成键电子重新组合的过程。由于环庚三烯的环将反应两端牵在一起，使反应更易进行。新组合的过程。由于环庚三烯的环将反应两端牵在一起，使反应更易进行。4n体系体系2,4,6,8-癸四烯在近乎室温下顺旋与环辛三烯建立平衡，略癸四烯在近乎室温下顺旋与环辛三烯建立平衡，略微加热，环辛三烯对旋与对应的双环微加热，环辛三烯对旋与对应的双环4.2.0-2,4-辛二烯成平衡。辛二烯成平衡。Woodward-Hoffmann 轨道对称守恒原理不仅局限于应用在中性轨道对称守恒原理不仅局限于应用在中性分子，也适用于离子。环丙基正离子转换成烯丙基正离子是最简分子，也适用于离子。环丙

8、基正离子转换成烯丙基正离子是最简单的电环化例子，因为它只包含单的电环化例子，因为它只包含2个个p p电子。电子。由于角张力环丙基正离子不易形成，环丙基卤代烃和磺酸酯在一般溶剂解的条由于角张力环丙基正离子不易形成，环丙基卤代烃和磺酸酯在一般溶剂解的条件下都很不活泼。例如，环丙基磺酸酯在乙酸中溶剂解需在件下都很不活泼。例如，环丙基磺酸酯在乙酸中溶剂解需在180180o oC C进行，产物为进行，产物为烯丙基乙酸酯而不是环丙基乙酸酯。反应中间体可能是先形成环丙基正离子，烯丙基乙酸酯而不是环丙基乙酸酯。反应中间体可能是先形成环丙基正离子，然后开环成烯丙基正离子。然后开环成烯丙基正离子。XHH- X -

9、slowfastY -Y形成烯丙基产物是其它环丙基卤代烃和磺酸酯溶剂解的特征。形成烯丙基产物是其它环丙基卤代烃和磺酸酯溶剂解的特征。环丙胺在水溶液中重氮化给出烯丙醇。环丙胺在水溶液中重氮化给出烯丙醇。R1R4R2R3room tempR2R1R4R3R2R3R1R4HHU型W型环丙基正离子的开环属于4n+2体系电环化，基态反应对旋开环。取代的环丙基开环有以下两种形式的产物：由于空阻原因，一般取代基对外旋转更有利。生成由于空阻原因，一般取代基对外旋转更有利。生成W-型的烯丙型的烯丙基正离子将比基正离子将比U型正离子占优势。型正离子占优势。文献报道通过比较环丙基磺酸酯I, II, III的溶剂解反

10、应速度，研究反应是否经过游离的环丙基正离子开环。HOTsOTsHHOTsV相对相对 1 4 41000(溶剂解溶剂解)I II III如果形成碳正离子是决速步骤，化合物如果形成碳正离子是决速步骤，化合物II应比应比III快，因为碳快，因为碳正离子的生成使正离子的生成使OTs和和Me间的排斥力消失。但实际是间的排斥力消失。但实际是III比比II快快10000倍，说明有其它因素决定反应速度。倍，说明有其它因素决定反应速度。Depuy首次假设形成碳正离子和开环是同时进行。在此协同过首次假设形成碳正离子和开环是同时进行。在此协同过程中，正在断裂的程中，正在断裂的C-C s s电子将帮助电子将帮助C-O

11、Ts电电离，如离，如s s电子处于电子处于离去背面将最大限度促进离去背面将最大限度促进TsOTsO基团离去，这就需要基团离去，这就需要处于离去基团处于离去基团反式的基团反式的基团在在C-OC-O键电离过程中向外旋转。在键电离过程中向外旋转。在IIIIII分子中分子中, ,甲基处甲基处于于TsOTsO反式，向外旋转生成反式，向外旋转生成W W型产物。型产物。而在而在IIII中氢原子处于中氢原子处于TsOTsO反式，两甲基需向内旋转（两氢原子向反式，两甲基需向内旋转（两氢原子向外旋转，空间斥力大，生成外旋转，空间斥力大，生成U U型产物。所以型产物。所以IIIIII比比IIII反应快很反应快很多。

12、多。HOTsCH3CH3CH3HOTsCH3HHV相对1210这种情况下，U型更有利化合物IV和V在乙酸中溶剂解：化合物IV在乙酸(150oC)三个月，90%原料被回收，表明原料电离和协同开环均极慢，对旋开环导致张力极大的反式环己烯正离子。而化合物V的相同反应快2X106倍.HHOTsHHHHOTs当稠环足够大使反式环烯能够稳定存在时，溶剂解以合理的速度进行。BrHHHH2OdioxaneHHHHHOHHH2OH+OOHHH4n顺旋OHHH-H+二烯酮VI在酸催化下环化是4p体系正离子顺旋环化的一个例子，它通过3-羟基戊二烯正离子中间体，产物的立体化学符合电环化的原则。OHH第二节 环加成一、

13、DielsAlder反应(一) 一般特点D-A反应中双烯与亲双烯体彼此平行同面接近：LUMOHOMO亲双烯体双烯体内式：过渡态中亲双烯体上的取代基接近双烯体上的内式：过渡态中亲双烯体上的取代基接近双烯体上的p p轨道轨道。外式：过渡态中亲双烯体上的取代基远离双烯体上的外式：过渡态中亲双烯体上的取代基远离双烯体上的p p轨道轨道。亲双烯对双烯的加成有二种可能的立体化学取向，内式(endo)和外式(exo).内式：YXHHMeHMeHHYHXMeMeHHYHXHMeHHMe=YXMeMe一对对映体YXHHHMeHMeHYHXHHMeMeYHXHHMeMeH=MeMeYX一对对映体如如X与与Y不同，

14、则有对映异构体不同，则有对映异构体外式HHYXMeHMeHXHYHMeMeHHHYHXMeHHMe=MeMeYX一对对映体HHYXHMeHMeXHYHHHMeMeHYHXHMeMeH=YXMeMe一对对映体在在D-A反应中优先生成内式产物被称作反应中优先生成内式产物被称作Alder规则。规则。内、外式产物的差别取决于双烯取代程度，当亲双烯体的取代基X或Y为不饱和取代基一般以内式为主。内式过渡态中取代基电子与双烯体渐形成的C2-C3之间电子有次级作用，可降低过渡态的能量，也可能与偶极和其它作用有关。外式产物为热力学稳定产物，高温下反应易得外式。另外，有时氢键的作用会影响内外式的比例。+OOOen

15、do 100%DHDHOOOOOODDDDOOO+85%15%OOO+CH2RCOOCH3RCOOCH3+COOCH3RR=HR=Me7590%2240%7860%2510%也有少数例子中产物不符合也有少数例子中产物不符合Alder规则，例如，环戊二烯和丙烯酸酯在十氢化萘规则，例如，环戊二烯和丙烯酸酯在十氢化萘中反应给出中反应给出75%内式产物，在甲醇中内式达内式产物，在甲醇中内式达90%. 而而2-甲基取代丙烯酸酯与环戊甲基取代丙烯酸酯与环戊二烯反应则以外式产物为主。二烯反应则以外式产物为主。J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, 297.D-A加成存在强的取代基电子效应。富

16、电子双烯与缺电子单烯烃之加成存在强的取代基电子效应。富电子双烯与缺电子单烯烃之间最易发生反应，与简单双烯加成的活泼的亲双烯体有：苯醌、间最易发生反应，与简单双烯加成的活泼的亲双烯体有：苯醌、顺丁烯二酸酐、硝基烯烃、顺丁烯二酸酐、硝基烯烃、a,b-a,b-不饱和酯（酮，腈。不饱和酯（酮，腈。如使用缺电子双烯，富电子单烯烃成为好的亲双烯体，这样的反如使用缺电子双烯，富电子单烯烃成为好的亲双烯体，这样的反应称逆电子要求的应称逆电子要求的D-A反应。反应。当双烯和亲双烯都存在不对称取代基时，加成有区域选择性。当双烯和亲双烯都存在不对称取代基时，加成有区域选择性。(用取代基的电子效应判断用取代基的电子效

17、应判断)N(C2H5)2COOEt20oCCOOEtN(C2H5)2C2H5OCOOEt+160oCC2H5OCOOEtA:用通式表示区域选择性；用通式表示区域选择性；EDGEWGEDGEWGB:EDGEWGEWGEDGC:EWGEDGEWGEDGD:EWGEDGEDGEWGEDG: 推电子基，推电子基，EWG:吸电子基吸电子基D-A反应对两种立体效应极为敏感。第一、当亲双烯体或双烯体末端有空阻大的基团会阻碍彼此接近，反应变慢。ROOORHMet-BuKR142Na+Li+。有时季胺盐可催化阴离子氧。有时季胺盐可催化阴离子氧Cope重排，可能其重排，可能其促进了不活泼离子对的解离。促进了不活泼

18、离子对的解离。HOHOOOOOH+Oxy-CopeAnion-oxy-Cope快快1010-1017倍倍例:12CHOHCHCH2CH2O320oC90%531416232OHHHH26321415HOHKH / THF回回流流，1 18 8h h3从下面相连3CCH3CH2CHCH2OHOKH / 18-crown-625oC, 18h75%烯丙基乙烯基醚3,3重排即Claisen重排,由于产物是羰基化合物，平衡有利于生成产物。反应物烯丙基乙烯基醚由汞离子或H+催化的烯丙醇与乙基乙烯基醚之间交换反应生成。在重排反应条件下制备烯丙基乙烯基醚，不必分离产物即可进行重排。OOCH2=CHCH2OH

19、+CH2=CHOC2H5Hg(OAc)2CH2=CHCH2OCH=CH2CH2=CHCH2CH2CHO96%例：Claisen重排113232OCHCH2CH2CHO195oC87%一些Claisen重排反应的变种增加了它的功能，扩大了Claisen重排的应用范围。例如用原酸三酯改进的Claisen重排可在烯丙醇的g-位引人羧酸酯基官能团。混合的原酯酸是反应中间体，它进一步消除和重排。(CH3)2CCH=CH2OH+H2C=CCH3OCCH3CH3CH=CH2H+125oCH2C=COCH3CH3(CH3)2C=CHCH2CH2CCH3ORCH=CHCH2OH+CH3C(OCH3)3弱酸RCH

20、=CHCH2OCOCH3CH3OCH3- CH3OHCH2OCCH2OCH3RCH=CHRCHCH2CO2CH3CH=CH2原酸酯原酸酯Claisen重排的机理和立体化学与重排的机理和立体化学与Cope重排类似，手性反应重排类似，手性反应物的物的Claisen重排具有很高的对映选择性。根据原料烯丙醇中重排具有很高的对映选择性。根据原料烯丙醇中C-O键键的手性建立新形成的的手性建立新形成的C-C键的构型。例如，光学活性的键的构型。例如，光学活性的2R,3E-3-戊烯戊烯2-醇用原乙酸三乙酯处理得到光学产率高达醇用原乙酸三乙酯处理得到光学产率高达90%的重排产物的重排产物3R,4E-3-甲基甲基4

21、-己烯酸。新手性中心的构型可根据类椅式过渡态己烯酸。新手性中心的构型可根据类椅式过渡态来预测。来预测。HHOHCH3HCH32R, 3ECH3C(OEt)3OOEtCH3OEtHCH3CH3CH3HCH3CH2COOEtHHOCH3HCH3OEtH- EtOH甲基处于准e键3R, 4E例CH2CHCH2CH2CHCOHCH3CH2CH3C(OEt)3H+ 140 CH2CHCH2CH2CHCCH2CH2COOEtCH3NCH2PhHOEtCH3C(OEt)3H+NCH2PhCH2COOEtEt12CH2CHCH2CH2CHCOCH3CH2CH2EtO83%74%3NCH2PhHOCH2CH3N

22、CH2PhCH3COCH2CH3NOCH3(CH3)2NC(OCH3)2CH3NCH2PhCH2CH3OCH2=CN- CH3OHNCH2PhCH2CH3CH2CON(CH3)2烯丙醇酯通过转化成三甲基硅烷烯醇醚可重排为烯丙醇酯通过转化成三甲基硅烷烯醇醚可重排为g,d-g,d-不饱和羧酸，重排很容易不饱和羧酸，重排很容易发生，在稍高于室温下迅速进行。温和的反应条件适合于对酸敏感或热不稳定发生，在稍高于室温下迅速进行。温和的反应条件适合于对酸敏感或热不稳定的分子进行的分子进行ClaisenClaisen重排。重排。例：CH3HHCH2OCCH3OCH3HHCH2OC=CH2OSiMe3LDA/M

23、e3SiClCH2=CHCHCH2CH3COOSiMe367oCOH -CH2=CHCHCH2CH3COOH70%OOOPhCH2OHOOCH2HHCH3LDA, Me3SiClOOOOPhCH2OOTMSCH2HHCH3OOOPhCH2OCO2CH3CH=CH2CH3CH2N2三甲基硅烷烯醇醚Claisen重排的立体化学不仅受烯丙基醇双烯的控制，而且受烯醇硅醚的立体化学控制。OROTMSRORHROTMSHZ- Silyl etherOROTMSRE- Silyl etherORRHOTMSH烯醇硅醚的烯醇硅醚的Z,E构型可由制备条件来控制。在纯构型可由制备条件来控制。在纯THF中用中用LD

24、A产生产生烯醇负离子，得烯醇负离子，得E型烯醇；如在溶剂中加入型烯醇；如在溶剂中加入HMPA, 主要生成主要生成Z型产型产物。优先形成物。优先形成E型烯醇可用环状过渡态来解释。型烯醇可用环状过渡态来解释。HNOLiORRHRRHNOLiORHRRRE-烯醇过渡态Z-烯醇过渡态在在HMPA中得到中得到Z-烯醇离子归因于非环过渡态，因为烯醇离子归因于非环过渡态，因为HMPA对对Li离离子有强溶剂化效应。子有强溶剂化效应。烯丙基苯基醚的Claisen重排产物是邻烯丙基酚，重排先形成环己烯酮，然后烯醇化成酚。OCH2CHCH2OHCH2CHCH2OOHOH当两个邻位均有取代基时，发生二次重排。OCH3

25、OCH2CH=CH2CH3OOOCH3CH3OOCH3CH2CHCH2HOCH3OOCH3CH2CHCH2CH3OOH四、Ene反应某些亲电的碳碳和碳氧双键可与烯烃反应，其中烯烃的烯丙基氢转移到亲电试剂上，此反应称Ene reaction. 亲电试剂被称作亲烯剂(enophile).HEWGHEWG缺电子双键为亲电试剂，提供LUMO*HOMOLUMO协同的Ene反应过渡态涉及烯烃和亲烯烃的p电子及C-H键s电子。HH例12Ene反应具有高活化能，只有强亲电的亲烯剂才能进行分子间反应。路易斯酸AlCl3, AlClEt2能催化Ene反应，铝与羰基配位增加了共轭烯烃的亲电性。OOOOOO135oC

26、31%CH3C=CH2CH2H+CH2=CHCCH3O300oC加压CH3CCH2CH2CH2C=CH2CH3O3CH2=CCH2CH=CHCO2CH3CH3CH3C=CH2CH2H+HCCCO2CH3AlCl325oC61%27%分子内反应分子内反应(比分子间反应易发生比分子间反应易发生)CH2HC=CHCH2CH3NCCCF3OCO2C2H5EtO2CHHCO2C2H5Et2AlCl- 78oCNCOCF3CO2C2H5CO2C2H5CH2CO2C2H5CH2CH3羰基与烯丙基的Ene反应:CH3CCH2CH2HBF3Ac2O, CH2Cl2CH3CCH2HOCH2CH2CH3CCH2CH3COCH2CH2OA