高等第10章周环反应

1、第第10章章 周环反应周环反应 Pericyclic Reactions 一一 周环反应周环反应 1 电环化反应电环化反应 electrocyclic reactions 2 环加成反应环加成反应 cycloaddition reactions 3 迁移反应迁移反应 sigmatropic rearrangements 二二 周环反应的分子周环反应的分子轨道轨道理论解释及其应用理论解释及其应用 一一 周环反应周环反应周环反应周环反应：在加热或光照下，反应物通过一个环状的中间过渡态，原有化学键断裂和新的化学键产生协同完成，这种反应叫做周环反应周环反应。周环反应的特征周环反应的特征：(1) 反应中

2、间体或过渡态不带电荷，即无离子或自由基存在；(2) 不要酸碱催化，也不受溶剂极性影响，但受光或热制约；(3) 反应是立体专一性的；周环反应分为三类：电环化反应，环加成反应，电环化反应，环加成反应，-迁移反应迁移反应。 例如例如: Diels-Alder反应：反应： 电环化反应：电环化反应： Claisen重排反应重排反应200C C0 0OCH2CH=CH2*OHCH2CH=CH2* 协同反应具有高度立体专一性，协同反应具有高度立体专一性，用于合成特定结构碳骨架。用于合成特定结构碳骨架。h对旋HHOOOHHOOOHHhOOONa2CO3水溶液Pb(OAc)4篮烯篮烯（basketene） 1.

3、 电环化反应电环化反应 (1) 4n个个电子体系电子体系HCH3HCH3 hHHCH3CH3HCH3HCH3 hHHCH3CH3HCH3HCH3HCH3HCH3(E,E)-2,4-hexadiene(Z,E)-2,4-hexadiene80HH电子数加热光照44n顺旋对旋64n+2对旋顺旋84n顺旋对旋电环化反应的选择规律电环化反应产物的立体选电环化反应产物的立体选择性与电环化反应过程的择性与电环化反应过程的顺旋和对旋有关。顺旋和对旋有关。 (2) 4n+2个个电子体系电子体系(Z,Z,E)-2,4,6-octatriene(E,Z,E)-2,4,6-octatrieneCH3HCH3HCH3

4、HHCH3CH3HCH3HCH3CH3HHCH3HCH3H h hCH3HCH3HHHHHHHHHHH2 环加成反应环加成反应CH2CH2R2C:RRCH2CH2CH2CH22+1环加成：环加成：2+2环加成：环加成：4+1环加成：环加成：CH2CHCHCH2SO2SO2CH2N NCHCO2MeCHCO2MeNNCO2MeCO2Me1,3-偶极加成：偶极加成：4+2环加成：环加成：CH2CHCHCH2CH2CH2（1）2+2环加成反应环加成反应hPhCOOHPhCOOHhPhCOOHPhCOOHCOOHPhO2CCH3HO2CCH3H2+2hv2) Diels-Alder反应反应(双烯加成反

5、应双烯加成反应) 双烯加成共轭双烯与含有烯键或炔键的化合物相互作共轭双烯与含有烯键或炔键的化合物相互作用，用，生成六元环状化合物的反应!+Otto Diels (1876 - 1954)德国德国 1950年获奖年获奖Kurt Alder，(19021958) 德国德国 1950年获奖年获奖XYXYk1k2双烯体双烯体 亲双烯体亲双烯体 加合物加合物 正反应二级；逆反应一级正反应二级；逆反应一级逆逆=k2加合物加合物（a）Diels-Alder反应是可逆反应反应是可逆反应=k1双烯体双烯体亲双烯体亲双烯体 OOO1 1）氧氧化化OO2 2）水水解解OOHOHOOHOHCOOHCOOHHOOCCO

6、OHOOO+OOOOOO+内内式式( (主主要要产产物物）外外式式PhCHOPhCHOPhCHO（b）Diels-Alder反应的定向作用反应的定向作用H3CCHOCHOCH3H3CCHO（c）双烯体活性双烯体活性 生成生成 S-顺式构象是顺式构象是Diels-Alder反应先决条件，例反应先决条件，例如下列二烯烃都不能进行如下列二烯烃都不能进行Diels-Alder反应。反应。顺顺-1-取代双烯体取代双烯体s-顺式不稳定，活性顺式不稳定，活性低低；反反-1-取代双烯体和取代双烯体和2-取代双烯体活性取代双烯体活性高高。CH3HHHCH3CH3HHPhPh 反反-1,3-戊二烯戊二烯 4-甲基

7、甲基-1,3-戊二烯戊二烯反应速度反应速度 =1000 ： 1反应速度反应速度 1000 ： 1C(CH3)3C(CH3)3反应速度反应速度 = 0.05 ： 1(CH3)3CHHH(CH3)3CHHH反应速度反应速度 = 27 ： 1(CH3)3C(CH3)3C(CH3)3CC(CH3)3（d）Diels-Alder反应的活性反应的活性一般情况下，双烯体含有供电基，亲双烯一般情况下，双烯体含有供电基，亲双烯体含有吸电基，反应活性高体含有吸电基，反应活性高（苯醌顺酐（苯醌顺酐硝基烯硝基烯 ,-不饱和酯（酮、腈）不饱和酯（酮、腈） ；但是，当双烯体缺电子时，亲双烯体含有但是，当双烯体缺电子时，亲

8、双烯体含有供电基反而对反应有利。供电基反而对反应有利。ClClClClClClClClClClClCl（e） Diels-Alder反应的立体化学反应的立体化学顺丁烯二酸酯反丁烯二酸酯COORCOORCOORCOOR顺式加成规则：顺式加成规则：CO2CH3HHCO2CH3CO2CH3CO2CH3HH 顺-4-环己烯-1,2-二甲酸二甲酯1,3-丁二烯 马来酸二甲酯H3CO2CHHCO2CH3CO2CH3CO2CH3HH 反-4-环己烯-1,2-二甲酸二甲酯1,3-丁二烯 富马酸二甲酯CCH2HCO2MeCOORHCOORH76%24%内向加成（内向加成（endoaddition)规则：规则：O

9、OOOOOOOO内向产物为主内向产物为主（f） Diels-Alder反应的应用反应的应用OCCl3OCCl3150OOO+COOOCH3OHCH3OHHHCH3OCH3OHCH3OCH3O分子内的D-A反应，在天然产物和药物合成中经常使用，例如：雌甾酮甲醚的合成。 具有烯丙型氢原子的烯烃与强的亲双烯通过H的迁移生成加成产物，称为ene反应，ene反应类似于Diels-Alder环加成和烯丙型氢原子的1,5-迁移。所需温度比二烯与亲双烯体的加成要高一些。如：CH3OC6H5OOOOOHC6H5CH3OOOHOO200（3）3+2环加成（环加成（1,3-偶极环加成）偶极环加成）R CH N OH

10、Cl2HClR C N OHClHClNEt3R CNO+-腈氧化物NEt3HClR C N NHRCl-+R CNNR腈亚胺H2OR NH OHCH2OHRNHOHHCHOH+H+R N OCH2-N 氧化醛亚胺常见常见1,3-偶极体偶极体含杂原子的含杂原子的 2 + 4 环加成反应环加成反应含含杂杂原原子子的的双双烯烯亲亲双双烯烯体体含杂原子的含杂原子的 2 + 4 环加成反应在合成上非常有用环加成反应在合成上非常有用,可用于合成含杂原子的环状化合物可用于合成含杂原子的环状化合物COOCCNCCCOCCNCCNNCCC，C NC NC CC ON NN O，反应实例：反应实例：OOCH2N

11、OC6H5ONNEtOOC+180O+乙醇，0 ONC6H595%66%+80 苯OHCHO45%COOEt+10 乙醚NN COOC2H5COOC2H5100%Ph C N NPh-+反丁烯二酸酯顺丁烯二酸酯PhCNNHPhClHClNEt3+-PhCN NPhNNPhPhROOCCOORHHNNPhPhROOCHCOORH 1,3-偶极环加成与偶极环加成与Diels-Alder反应类似反应类似,具具有高度立体选择性。有高度立体选择性。+-PhC N NHCCHHCOOMeMeOOCNNMeOOCCOOMeHHHPhNNMeOOCCOOMeHHPhH 对于某些对于某些1,3-偶极分子，当顺式

12、加成按不偶极分子，当顺式加成按不同方向时，生成两种异构体。同方向时，生成两种异构体。1,3-偶极环加成通常用于制备杂环化合物。偶极环加成通常用于制备杂环化合物。-+NEt3HClPh C N CH2ClNO2Ph C N CHNO2OCHNPhPhHNO2PhCH OH2CCHCOOEt-+H2C N NNNH2CCO2EtPhN N N-+EtO2CC CCO2EtC6H6NNNEtOOCCOOEtPhPh C N O+-CH2CHPhONPhPh1,3-偶极环加成反应提供了许多极有价值的五元杂环新合成法。偶极环加成反应提供了许多极有价值的五元杂环新合成法。SNRRSNRRRONRRC6H5

13、O NNRRC6H5RRRNRR-C N-CH-R+-S=C=SCH2=CHRC6H5CH=OC6H5N=OR”C C R”分子内也能发生分子内也能发生1，3-偶极环加成反应偶极环加成反应-O-N C-CH2-S+-ONS+ONS烯烃的臭氧化反应烯烃的臭氧化反应也是也是1,3-偶极环加成：偶极环加成：OOOCHCHOOOOOCHOCHRRRRCHRCHR.+常见的1,3-偶极环加成反应中，炔烃与叠氮化物发生Huisgen叠氮化物-炔烃环加成反应生成1,2,3-三唑；最近发现，在Cu(I)催化下，反应速率可增加大约106倍。几乎定量的选择性生成1,4-取代的1,2,3-三唑，反应能在各种溶剂甚至

14、纯水中很好地进行。例如：N3HON3NHONNNNNPhOHPh+2 PhCCHCu(I)H2O/t- BuOH, 2:1, r. t, 24hrsHO36补充：补充：点击化学点击化学(Click Chemistry)：2001年诺贝尔化学奖获得者年诺贝尔化学奖获得者Sharpless提出提出“点击化学点击化学”的概念，的概念， 即通过小单元的拼接，来快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。即通过小单元的拼接，来快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。 “点击化学点击化学”反应类型包括环加成反应（反应类型包括环加成反应（1，3-偶极环加成反应，偶极环加成反应，Diels-Alde反应）。反应）。

15、点击反应的特征有：点击反应的特征有： 产率高；副产物无害；反应有很强的立体选择性；反应条件简单；原料和反应试剂易得；合成反应快速；不使用溶剂或在良性溶剂中进行，最好是水；产物对氧气和水不敏感。3 -迁移反应迁移反应 在共轭在共轭体系中体系中, 处于烯丙位的一个处于烯丙位的一个 -键断裂键断裂, 在在体系另一端生成一个新的体系另一端生成一个新的-键，同时伴随键，同时伴随键键的转移的转移, 这类反应叫做这类反应叫做-迁移反应迁移反应, 也也叫做叫做-迁移迁移重排重排。C (CC)nZC (CC)nCZCCCCCCCCCCCC1,n-迁移反应迁移反应3,3-迁移反应迁移反应ACHBDACBDHACB

16、DH同面迁移异面迁移迁移反应又可分为同面迁移和异面迁移。虽然1,3和1,7异面迁移对称性允许，但氢的异面迁移能量太高，也很难发生，而碳的1,3迁移可以发生。 氢的1,j的同面迁移，在基态下，1,5和1,9 迁移是允许的，1,3和1,7 迁移禁阻。（1）1,n迁移反应迁移反应CD2CH2HCD2H1,5氢移位H2CHOCH3C9H17HHOCH3C9H17H2CH氢移位1,7OAcHD*1,3碳移位300AcOHD*CH3CH3碳移位1,5CH3CH3H1,7氢移位CH3CH3HHHOAcD12 3 4 5HHOAcD312 4 5HHOAcD312 4 5C1,3 -迁移迁移100oCHDHO

17、AcHDHOAcHDHOAc迁移碳原迁移碳原子构型翻子构型翻转转过渡态的轨道图形过渡态的轨道图形CH3HCH3HD123456789RSCH3HCH3HD123456789RSCH3HCH3HD123456789RSCH3HCH3HD123456789RSHCH3HCH3HD123456789RSH同面迁移同面迁移C 1,5 -迁移迁移构型保持构型保持C1-C9键迁移键迁移C 1,5 -迁移迁移C1-C6键迁移键迁移构型保持构型保持H 1,5 -迁移迁移D 1,5 -迁移迁移 同面迁移同面迁移实例分析：实例分析： 维生素D系抗佝偻病维生素，对骨骼的生长起重要的作用，其中以维生素D2和维生素D3

18、作用最强。人体皮肤中含有7-脱氢胆甾醇，在阳光照射下即可转变为维生素D3。试用反应机理解释这一过程。 式是7一脱氢胆甾醇分子中的环己二烯开环转变成开链共轭三烯（预钙化醇）的反应， 其逆反应关环，通称为电环化反应。 协同反应都是一步完成的反应，根据微观可逆性原理，其正反应和逆反应均通过相同的过渡态，按相同的机理进行。7一脱氢胆甾醇在光照条件下转化为预钙化醇，正是上述环化反应的逆反应。反应式（预钙化醇维生素D3）实际上是庚三烯饱和碳上的-H原子跨越七个碳原子，转移到6共轭体系另一端碳原子上的过程，故称为1，7-H迁移反应。这一反应可看成是：（2）3,3迁移反应迁移反应（a）Claisen重排反应重

19、排反应200C C0 0OCH2CH=CH2*OHCH2CH=CH2*200C C0 0*OCH2CH=CH2H3CCH3*OHCH3CH2CH=CH2H3C相当于进行了两次相当于进行了两次Claisen 重排重排Claisen重排头尾对调，邻位被占时到对位。重排头尾对调，邻位被占时到对位。Claisen重排是协同历程的分子内重排重排是协同历程的分子内重排OOOHCH2CH=CH2互变异构互变异构如果邻位有取代基，不能进行如果邻位有取代基，不能进行互变异构，重排将继续到对位互变异构，重排将继续到对位OHCH2CH=CH2C C0 0200OCH3CH2CH=CH2H3C*OCH2CH=CH2H

20、3CCH3*CH3H3CCH2CHCH2O*CH2CH=CH2H3COCH3HCH2CH=CH2H3COHCH3*OCH2CH=CH2H3COCH2CH=CH2H3COOH*邻丁子香酚邻丁子香酚Claisen重排在有机合成上具有较大价值：重排在有机合成上具有较大价值：OOOHOOOOON(CH3)2ON(CH3)2OOSi(CH3)3OOSi(CH3)3OOCH3CH3OCH3OHOOCH3OOCH3乙酸烯丙基酯的烯醇负离子的Claisen重排：其它类型Claisen重排：70CH3OH+CH3OH(CH3)2NCH3CH3OOCH3(CH3)2NCH3CH3OOCHR(CH3)2NCCH2O

21、CHRR(CH3)2NCORHCOH(1)(3)(1)(3)Eschenmoser-Claisen重排重排7172C2H5OHC2H5OHOC2H5OHC CH2C2H5OCHCH2ORCHRHCOHOEtORHORCH3C(OEt)3OCHROCH2CHC2H5OOC2H5CH2(3) (1) (1)(3)(1) (3)(1)(3)Johnson-Claisen重排重排解释下列实验事实解释下列实验事实O赤型产物赤型产物3% E型型E型型CH3CH3HHCHOCH2=CHCH3CH3HHOHCCH2=CH+ +苏型产物苏型产物97%经椅型过渡态经椅型过渡态经船型过渡态经船型过渡态CH3CH3H

22、HOHCCH=CH2CH3CH3HHCHOCH=CH2OHHCH3CH3OCH3CH3HHCH3CH3HHCHOCH2=CHCH3HHCHOCH=CH2分析分析CH3HHH3COss（b）Cope重排反应重排反应H3C300H3CH3CROOCH3CROOC150OCH3CH3CH3CH3HOH3CH3CHHH3CH3CH3CH3CH3CH3CCope重排通常认为经过椅式过渡态重排通常认为经过椅式过渡态Cope重排在合成上具有重要价值：重排在合成上具有重要价值：C2H5OHOCH3CH3OHOC2H5C2H5OC2H5OHH3COLiAlH4C2H5OC2H5OC2H5O 3,3 -迁移反应要

23、经过一个六元环状过渡态，该过渡迁移反应要经过一个六元环状过渡态，该过渡态不是以平面结构形式存在的，一般都是取比较稳定的椅态不是以平面结构形式存在的，一般都是取比较稳定的椅型结构形式为过渡态型结构形式为过渡态。解释下列实验事实解释下列实验事实CH3CHCH=CH2CH3CHCH=CH2CH3CH=CHCH2CH3CH=CHCH2Meso 99.7%(Z,E) + 0.3%(E,E),(Z,Z)外消旋体外消旋体 0%(Z, E) + 90.0%(E, E) + 10.0%(Z, Z)225oC 6小时小时100oC18小时小时分析分析CH=CH2HCH3CH=CH2HCH3CH=CH2HCH3CH

24、=CH2HCH3（2）（1）CH3HHCH3HHCH3CH3CH3CH3HHCH=CH2HCH3CH=CH2HCH3（2）如果甲基处在直立键，得如果甲基处在直立键，得ZZ构型产物。如果经船型过渡态，得构型产物。如果经船型过渡态，得ZE构型产物。构型产物。 (3) 2,3迁移迁移XYXY(CH3)3CCHCH2SPhO(CH3)3COSPhCHCH2P(OCH3)3(CH3)3COHCHCH2PhCH2CH2CHCHSePhCHCH3H2O2PhCH2CH2CHSeCHCHCH3OPhPhCH2CH2CHCHCHCH3OSePhOPhCH2CH2CHCHCHCH3OH2,3 迁移反应也是重要的一

25、类重排反应。SCH3CHH2CK OC(CH3)3SH2CCHH2CSNCHCH2CH2CO2CH3PhCH2OHNCHCH2CHCO2CH3PhCH2NPhCH2CO2CH3二二 周环反应的分子周环反应的分子轨道轨道理论解释及其应用理论解释及其应用（1）前线轨道理论）前线轨道理论HOMO(highest occupied molecular orbital):指被电子占据的能量最高的指被电子占据的能量最高的轨道轨道LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital)：指未被电子占据的能量最低的空指未被电子占据的能量最低的空轨道轨道 热反应为基态反应；光反应为激发

26、态反应。热反应为基态反应；光反应为激发态反应。 单分子反应只涉及分子的单分子反应只涉及分子的HOMO；双分子反；双分子反应涉及一个分子的应涉及一个分子的HOMO和另一个分子的和另一个分子的LUMO。(2)、对称守恒原则、对称守恒原则1965年，Woodward和Hofmann提出周环反应中的对称守恒原则。根据这一原则可以预测协同反应能否进行及其立体化学特征。为此，Hofmann和福井谦一共同获得1981年Nobel化学奖 。在电环化反应中，共轭烯烃分子中的一个键变成键，根据前线轨道理论，反应过程中起关键作用的只是前线轨道中的前沿电子。对称守恒原则：周环反应的成键过程是分子轨道重新组合的过程，反

27、应中分周环反应的成键过程是分子轨道重新组合的过程，反应中分子轨道的对称性必须守恒。反应物分子轨道的对称性和产物子轨道的对称性必须守恒。反应物分子轨道的对称性和产物分子轨道的对称性必须一致分子轨道的对称性必须一致 共轭二烯烃的分子轨道与成键方式共轭二烯烃的分子轨道与成键方式1234波函数基态激发态LUMOLUMOHOMOHOMO( )( h )(顺旋成键）(对旋成键）共轭三烯烃的分子轨道与成键方式共轭三烯烃的分子轨道与成键方式(顺旋成键）(对旋成键）( h )( )HOMOHOMOLUMO激发态基态波函数43212+2环加成反应的分子轨道与成键方式：环加成反应的分子轨道与成键方式： HOMO+LUMO基态激发态LUMO