第八章 环化反应

1、第八章第八章 环化反应环化反应 到此为止，对于形成环状分子的成键反应很少给以注到此为止，对于形成环状分子的成键反应很少给以注意。因此，构成分子骨架的最后一章，我们考虑的导致意。因此，构成分子骨架的最后一章，我们考虑的导致闭环的反应。闭环的反应。第一类的成环反应，无非是在前面各章节部分按照分第一类的成环反应，无非是在前面各章节部分按照分子间所描述的那些反应的分子内的变型（这无子间所描述的那些反应的分子内的变型（这无疑地是最大的一类）。疑地是最大的一类）。第二类反应是分子间的，涉及两个不同分子之间同时第二类反应是分子间的，涉及两个不同分子之间同时形成两个键。这种反应过程通常称之为环加成形成两个键。

2、这种反应过程通常称之为环加成反应。反应。Diels-Alder反应是我们最熟知的例子。反应是我们最熟知的例子。第三类的成环反应包含电环化反应，它是分子内反应第三类的成环反应包含电环化反应，它是分子内反应而在机理方面与环加成反应有关。而在机理方面与环加成反应有关。第八章第八章 环化反应环化反应 环化反应（环化反应（Pericyclic Reaction）通常是指经由协同式的通常是指经由协同式的键结转移，而形成环状化合物。键结转移，而形成环状化合物。环化反应包括环化反应包括: 电子环化反应（电子环化反应（electrocyclizationelectrocyclization） 钳合反应（钳合反应

3、（cheletropiccheletropic reaction reaction） 2+2 2+2，3+23+2，4+2 4+2 等等 环化加成反应（环化加成反应（cycloadditioncycloaddition）第八章第八章 环化反应环化反应 电子环化及钳合反应是电子环化及钳合反应是6 6电子的电子的键互变，而键互变，而形成新的环状化合物。形成新的环状化合物。环化加成反应则是两个反应物同时形成两个环化加成反应则是两个反应物同时形成两个键结，而得到环状产物。键结，而得到环状产物。与闭环反应相比，开环反应在合成上则使用与闭环反应相比，开环反应在合成上则使用的较少，但是，在某些特殊的情况下仍

4、是相当有的较少，但是，在某些特殊的情况下仍是相当有价值的。价值的。第八章第八章 环化反应环化反应 conrorationdisrorationSO2+SO2disrorationClClCCl2+电子环化电子环化：钳合：钳合： 螯合反应螯合反应:第八章第八章 环化反应环化反应 R2C=C=OR2C=C=O+RRRROOCH2=C=OCH2=C=O+OOCH2=C=CH2CH2=CH CN+CN2,2 环加成环加成第八章第八章 环化反应环化反应 CH2=CH2PhC N O+_+NOPhCHOCHO+3,2 环化加成环化加成4,2 环化加成环化加成这些环化的特点是：这些环化的特点是： 反应的熵减

5、少，幸而活化所需的焓不高，因此反反应的熵减少，幸而活化所需的焓不高，因此反应得以进行；也是这个缘故，反应常是可逆的。应得以进行；也是这个缘故，反应常是可逆的。 反应常常具有立体专一性，这是协同式反应机理反应常常具有立体专一性，这是协同式反应机理的结果。的结果。81 Diels-Alder 反应反应 一般一般 4,2 4,2 环加成反应，称为环加成反应，称为Diels-AlderDiels-Alder反应。反应。四个原子的部分，通常是双烯类（四个原子的部分，通常是双烯类（dienesdienes），），而二个原而二个原子的部分是烯类，又称双亲烯基（子的部分是烯类，又称双亲烯基（dienophil

6、esdienophiles）。）。一、一、Diels-Alder 反应的特点：反应的特点：1. 对双烯类为电子丰盈者，则亲双烯基必须是电子对双烯类为电子丰盈者，则亲双烯基必须是电子缺乏性的烯类，才能够促使环化加成反应；缺乏性的烯类，才能够促使环化加成反应；2. 反应对于二烯和亲二烯体两者都是立体专一地顺反应对于二烯和亲二烯体两者都是立体专一地顺式加成；式加成；3. 二烯必须采用顺式构象二烯必须采用顺式构象, 若二烯被固定成反式构象，若二烯被固定成反式构象，则不能发生则不能发生Diels-AlderDiels-Alder反应；反应；81 Diels-Alder 反应反应 （无此产物）4. 内向的

7、加成产物常常比外向的加成物占优势。内向的加成产物常常比外向的加成物占优势。81 Diels-Alder 反应反应 OOOHHOOO+2081 Diels-Alder 反应反应 一般使用的电子丰盈双烯是指推电子基，如烷基，一般使用的电子丰盈双烯是指推电子基，如烷基，甲氧基（甲氧基（CH3O）二甲胺基（二甲胺基（Me2N），），硫基（硫基（RS），），硅硅氧基（氧基（Me3SiO）乙酰氧基（乙酰氧基（CH3CO2）等。等。Danishefsky双烯双烯:YY=Me,OMe,NMe,SPh,OSiMe2,OAcOMeMe2SiO81 Diels-Alder 反应反应 关环双烯关环双烯:隐藏性双烯隐藏

8、性双烯合非碳原子之对等物合非碳原子之对等物含三键之对等物含三键之对等物OSOOSO2CR2=CH CH=OCR2=CH C CR81 Diels-Alder 反应反应 而而 3丁二烯砜（丁二烯砜（3-sulfolene）及环丁烯是隐藏性的及环丁烯是隐藏性的双烯，加热时即得双烯，加热时即得1,3丁二烯，有的含非碳原子或三键的丁二烯，有的含非碳原子或三键的化合物也可替代双烯的地位，而进行化合物也可替代双烯的地位，而进行Diels-Alder反应。反应。一般使用电子缺乏性烯类是指含吸电子基。如羰基，一般使用电子缺乏性烯类是指含吸电子基。如羰基，羧基，硝基，及砜基羧基，硝基，及砜基SO2R等。含两个拉

9、电子基者，其反等。含两个拉电子基者，其反应力更强。应力更强。OOOOOCHOCO2H81 Diels-Alder 反应反应 二、炔类和含非碳原子的亲双烯二、炔类和含非碳原子的亲双烯有的炔类和含非碳原子者，如亚胺，重氮，醛类酮有的炔类和含非碳原子者，如亚胺，重氮，醛类酮类，硫酮及腈类等也可以做为亲双烯基。类，硫酮及腈类等也可以做为亲双烯基。MeO2CC CCO2MeR2C=NREtO2C N=N CO2EtCCl3CH=OO=C(CO2R)2R2C=SRC N81 Diels-Alder 反应反应 以以 Lewis 酸为催化剂可促进酸为催化剂可促进 Diels-Alder反应的速率，反应的速率，

10、主要是因为主要是因为 Lewis 酸先与吸电子基的烯类结合，除了增酸先与吸电子基的烯类结合，除了增加反应速率外，也较具立体选择性和位置选择性：加反应速率外，也较具立体选择性和位置选择性：CH2=CHCO2HHCO2HCO2HH+0 ,no catalyst78_,AlCl3 cat.endoexo84%16%97%3%81 Diels-Alder 反应反应 由于电子效应，内加成物比外加成物较易产生，称由于电子效应，内加成物比外加成物较易产生，称为第二效应（为第二效应（secondary effect）。）。同样的，对位加成物同样的，对位加成物或邻位加成物会多于间位加成物：或邻位加成物会多于间位

11、加成物：OOO+parameta71%29%93%7%PhH, ,SnCl425PhCH3, ,no cat.12081 Diels-Alder 反应反应 三、不对称二烯和亲二烯体的加成反应三、不对称二烯和亲二烯体的加成反应RR1RR1RR1+RR1RR1RR1+如果二烯和亲二烯体二者都是不对称的，那么如果二烯和亲二烯体二者都是不对称的，那么Diels-Alder加成可经二种途径发生而得到混合的加成异构体，加成可经二种途径发生而得到混合的加成异构体，主要的主要的Diels-Alder加成物如下所示，应当注意，在上述加成物如下所示，应当注意，在上述两种情况中，两种情况中，间位二取代的产物是较少的

12、异构体。间位二取代的产物是较少的异构体。81 Diels-Alder 反应反应 HCO2HHCO2HCO2HHCO2HH+75HCO2HHOC2HCH3CO2CH3CH3CO2CH3CH3CO2CH3+(61%)(3%)CH3CO2CH3CH3CO2CH3CH3CO2CH3+(45%)(8%)81 Diels-Alder 反应反应 DielsAlder 加成反应，可以合成多种环的复杂化合加成反应，可以合成多种环的复杂化合物，如下面所列举的各反应。应用物，如下面所列举的各反应。应用C=O，C=S，C-N及及CN等基团作为亲双烯基的例子也列举在下面的反应中。等基团作为亲双烯基的例子也列举在下面的反

13、应中。CH3CH3OO2+C2H5OH5hr,refluenceOOCH3CH3CH3CH3(60%)+OCO2CH3CO2CH35hr,refluenceOCO2CH3CO2CH3(77%)81 Diels-Alder 反应反应 +CH3IClnC4H9LiCH3OOCH3(43%)+CH3CH3NCCNCNCH3CN(83%)+CH3CH3ONPhNPhOCH3CH3(66%)81 Diels-Alder 反应反应 MeOHOOOOOHOMeOOOHHHMeOHO81 Diels-Alder 反应反应 HHCH3CH3NCO2C2H5NCO2C2H5NCO2C2H5NCO2C2H5H3CH

14、3CHH+RRNOOHNOORRH+81 Diels-Alder 反应反应 适当地利用电子效应，如适当地利用电子效应，如 Lewis 酸被羟、酮基螯合酸被羟、酮基螯合，及立体效应，如巨大的第三丁基，下面的反应实例中，及立体效应，如巨大的第三丁基，下面的反应实例中，用手性的烯类诱导不对称环化加成。，用手性的烯类诱导不对称环化加成。OHOHOOMHCHOOHHZnCl2(98%ee)82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 1,3偶极环化加成（偶极环化加成（1,3-dipolar cycloaddition）是一种是一种 3+2 的环化加成反应。三个原子的部分的环化加成反应。三个原子的部分以以

15、HOMO与烯类的与烯类的 LUMO作用。作用。abcd=e+3+2decba82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 1,3偶极分子可以是臭氧偶极分子可以是臭氧O3，叠氮叠氮RN3等含等含相同原子者，也可以是含不同类型的原子。相同原子者，也可以是含不同类型的原子。OzoneazidediazomethaneNitrile oxideNitrile ylideR C N CH2R C N CH2R C N OR C N OH2C N NH2C N NR N N NR N N NR N N NO O OO O O82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 叠氮类化合物与烯类进行环化加成反应产

16、生叠氮类化合物与烯类进行环化加成反应产生三唑啉三唑啉( (triazolinetriazoline) )，在更高温度时，则分解在更高温度时，则分解脱氮而形成乙烯亚胺脱氮而形成乙烯亚胺( (aziridineaziridine) )的三员环化合的三员环化合物，如下面的各反应：物，如下面的各反应：HHHHNNNHHPhPh N N N+100%20150N2NPh82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 ONNO1,3155ON3ONNN255082 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 腈氧类偶极化合物通常是由卤烷或醛类来制腈氧类偶极化合物通常是由卤烷或醛类来制备，其与烯类、炔类都可进行环

17、化加成反应。备，其与烯类、炔类都可进行环化加成反应。RCH2XRCH2NO2RC N ONaNO2pClC6H4N=C=OH2ORCHORCH=N OHRC N OH2NOHNaOClO82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 若 是 分 子 内 的 加 成 反 应 ， 特 别 称 为若 是 分 子 内 的 加 成 反 应 ， 特 别 称 为 I N O C（intramolecular nitrile oxide cycloaddition）。）。其生成的其生成的isoxazoline类加成物：类加成物：Ph CN OHClONPhPhHEt3NEt2O,20Ph C N OPhC CH

18、经二异丁基铝氢还原，得到经二异丁基铝氢还原，得到 3胺基醇类；经加胺基醇类；经加氧作用，得到氧作用，得到 3羟基酮类；经羟基酮类；经 LAD 脱质子得到脱质子得到，-不饱和醛酮类；在不饱和醛酮类；在C-3C-3无取代的无取代的 isoxazolineisoxazoline（R R=H=H），），则以碱水处理下，得到则以碱水处理下，得到3 3羟基腈。羟基腈。82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 R C N O+ONRCH3CH=CH2iBu2AlHH2,Raney NiiPr2NLi( R=H )OHRNH2OHROOHRNOHCOHN82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 重氮烷

19、类与双键进行重氮烷类与双键进行1,3偶极加成反应，生成二氢偶极加成反应，生成二氢吡唑吡唑(pyrazoline)的产物，但在稍高的温度，或在酸、重的产物，但在稍高的温度，或在酸、重金属等催化下，极易脱氧，而形成三员环的最终产物，金属等催化下，极易脱氧，而形成三员环的最终产物，如下面的反应。重氮烷类可与苯作用，称为如下面的反应。重氮烷类可与苯作用，称为Buchner反应反应；将羧类转变成甲酯；与酰氯作用，并在硝酸银水溶液；将羧类转变成甲酯；与酰氯作用，并在硝酸银水溶液中转变成多一个碳的羧酸，称为中转变成多一个碳的羧酸，称为Arndt-Eistert反应。反应。PhCNClCH2NO2Et3N0P

20、hC N CHNO2CHNCPhCNNO2CHNCPhNO2NCCH2CH CN86%82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 与酮类化合物发生扩环反应：与酮类化合物发生扩环反应：(63%)(15%)OO+OCH3N(NO)CONH2OCH N N+KOH2582 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 1,3偶极分子其电子间是可转移的，即电子的分配偶极分子其电子间是可转移的，即电子的分配不一定可由原子的阴电子性预测，其电荷间是互变的。不一定可由原子的阴电子性预测，其电荷间是互变的。由于这个缘故，在进行环化加成反应时，其位置选择性由于这个缘故，在进行环化加成反应时，其位置选择性并不容易预测

21、。这类的环加成反应也是一个并不容易预测。这类的环加成反应也是一个4+2的的过程，因此与过程，因此与Diels-Alder反应有关；但反应有关；但4电子组分不是电子组分不是二烯而是二烯而是1,31,3偶极，其中偶极，其中4 4个个电子仅分布在三个原子电子仅分布在三个原子上，因此，至少可以画出一个正则结构，在该结构中，上，因此，至少可以画出一个正则结构，在该结构中，原子原子1 1和和3 3带有相反的电荷。带有相反的电荷。RN N=N+RN=N=N+RN N N+RN N=N+RCH N=N+RCH=N=N+RCH N N+RCH N=N+82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 下面是下面是1

22、,3偶极环加成的典型实例：偶极环加成的典型实例：PhC=NOHClONPhC2H5O2CCl2PhCH=NOH(C2H5)3NPhC N O+CO2C2H5CH2N2H3CH3CHCO2C2H5NNHCH3CH3CC2H5O2NNHCH3CH3CC2H5O2H+H+(75%)82 1,3偶极环化加成反应偶极环化加成反应 RCO2HCH2N2RCO2CH3+RCOClRCOCH=N=NRCH=C=O+CH2N22Ag+H2ORCH2CO2H8.3 碳烯和氮烯对烯烃的加成碳烯和氮烯对烯烃的加成 碳烯是不带电荷的缺电子碳，即碳烯是不带电荷的缺电子碳，即R2C：它们中最典型它们中最典型的，并且在合成上

23、最有价值的反应是对烯烃的加成反应的，并且在合成上最有价值的反应是对烯烃的加成反应得到环丙烷类化合物。得到环丙烷类化合物。氮烯是碳烯的氮类似物，同样可发生对烯烃的加成氮烯是碳烯的氮类似物，同样可发生对烯烃的加成而得到环氮烷类化合物。而得到环氮烷类化合物。CR2CR2NRNR8.3 碳烯和氮烯对烯烃的加成碳烯和氮烯对烯烃的加成 加成反应的确切机理取决于在碳烯或氮烯中非键电加成反应的确切机理取决于在碳烯或氮烯中非键电子的排布。子的排布。如果二个电子在同一轨道中而另一轨道是空的如果二个电子在同一轨道中而另一轨道是空的即所即所谓单线态谓单线态，那么加成则可认为是涉及，那么加成则可认为是涉及HOMO和和L

24、UMO相相互作用的互作用的2+2环加成：环加成：LUMORRHOMORRHOMOLUMOR RHOMOLUMORRRRor8.3 碳烯和氮烯对烯烃的加成碳烯和氮烯对烯烃的加成 如果两个电子处在不同的轨道，那么加成反如果两个电子处在不同的轨道，那么加成反应是按自由基途径并且不是协同而是分步地进行。应是按自由基途径并且不是协同而是分步地进行。协同的加成是立体专一的，烯烃的相对构型协同的加成是立体专一的，烯烃的相对构型仍然保持中产物中；仍然保持中产物中；CH3HHCH3BrBrHHCH3HCHBr3(CH3)3COK(68%)8.3 碳烯和氮烯对烯烃的加成碳烯和氮烯对烯烃的加成 CH3HCH3HNN

25、+hv+HHH3CCH3HHH3CCH38.3 碳烯和氮烯对烯烃的加成碳烯和氮烯对烯烃的加成 从烯烃形成环丙烷类化合物的另一种方法可从烯烃形成环丙烷类化合物的另一种方法可通过通过Simmons - Smith反应来提供，它包括烯烃反应来提供，它包括烯烃与二卤甲烷以及锌（通常是在铜存在下）的反应。与二卤甲烷以及锌（通常是在铜存在下）的反应。 CH2ZnCH2ZnI+CH2ZnII+CH2=CHCOCH3(50%)CH2 2I+Zn/CuCOCH38.4 8.4 电环化闭环电环化闭环 Diels-Alder反应和反应和1,3-偶极环加成反应均已偶极环加成反应均已在前面介绍，每一个反应都涉及在前面介

26、绍，每一个反应都涉及6个个-电子经过电子经过一个环状过滤态而再分配。一个环状过滤态而再分配。如果这如果这6 6个个-电子包电子包含在同一分子内，类似的再分配便可发生在分子含在同一分子内，类似的再分配便可发生在分子内，因此，这种分子内的周环过程就称为电环化内，因此，这种分子内的周环过程就称为电环化反应：反应：8.4 8.4 电环化闭环电环化闭环 如同如同Diels-Alder反应和反应和1,3偶极环加成反应偶极环加成反应一样，该反应也是立体专一的，一样，该反应也是立体专一的，例如例如:HHDMSO50CH3CH3HHCH3CH3(99%)132pentaneCH3CH3178cyclhexton

27、eCH3HHCH3(high yield)8.4 8.4 电环化闭环电环化闭环 产物的立体化学可用前线轨道理论来解释。产物的立体化学可用前线轨道理论来解释。共轭三烯的最高已占分子轨道如下图所示，因此共轭三烯的最高已占分子轨道如下图所示，因此，闭环是一种对旋过程：，闭环是一种对旋过程：RR1R1RR1RR1RR RR1R18.4 8.4 电环化闭环电环化闭环 电环化闭环也可通过光化学法来发生。在这电环化闭环也可通过光化学法来发生。在这种反应中，产物的立体化学与通过热环化所得到种反应中，产物的立体化学与通过热环化所得到产物的立体化学相反，例如：产物的立体化学相反，例如：CH3CH3H3CH3CHC

28、H3hv(10%)CH2CH2hv(95%)H Hhv(27%)8.4 8.4 电环化闭环电环化闭环 照射底物导致促使一个电子进入邻近的较高能级的轨照射底物导致促使一个电子进入邻近的较高能级的轨道，即基态的道，即基态的LUMO。这样，原来的这样，原来的LUMO现在就变成现在就变成了光化学闭环的了光化学闭环的HOMO，对于二烯和三烯，其结果，闭对于二烯和三烯，其结果，闭环分别是对旋和顺旋。环分别是对旋和顺旋。R1RRR1R1RRR1R1R1R RR1RRR1R1RRR1R1RR R18.4 8.4 电环化闭环电环化闭环 照射烯烃也导致照射烯烃也导致E-和和Z-异构体的相互转化，异构体的相互转化，

29、因此，双键构型不固定的二烯或三烯可发生这种因此，双键构型不固定的二烯或三烯可发生这种类型的异构化和闭环反应，例如类型的异构化和闭环反应，例如:CH3CH3hvCH3CH3CH3CH3HHCH3CH3hvfastslow8.4 8.4 电环化闭环电环化闭环 EZ Z 异构化用于异构化用于1,2-二苯基乙烯的光环化相当有利。二苯基乙烯的光环化相当有利。照射任一个异构体，或两者的混合物（比如从照射任一个异构体，或两者的混合物（比如从Witting反反应所得到）均得到二氢菲，它在空气的存在下发生自动应所得到）均得到二氢菲，它在空气的存在下发生自动脱氢成菲反应，这也许是目前得到菲衍生物的最简单的脱氢成菲反应，这也许是目前得到菲衍生物的最简单的合成途径。合成途径。XYHHYhvYXhvXYO28.