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第三章周环反应本讲稿第一页，共八十二页第一节第一节 周环反应和分子轨道周环反应和分子轨道 对称守恒原理对称守恒原理第二节第二节 电环化反应电环化反应第三节第三节 环加成反应环加成反应第四节第四节 -迁移反应迁移反应本章提纲本章提纲本章提纲本章提纲本讲稿第二页，共八十二页一一 周环反应概况简解周环反应概况简解二二 分子轨道对称守恒原理简解分子轨道对称守恒原理简解三三 前线轨道理论的概念和中心思想前线轨道理论的概念和中心思想四四 直链共轭多烯直链共轭多烯分子轨道的一些特点分子轨道的一些特点第一节第一节 周环反应和分子轨道对称守恒原理周环反应和分子轨道对称守恒原理本讲稿第三页，共八十二页1.定义定义协同反应协同反应 协同反应是指在反应过程中有两个或两个以上的协同反应是指在反应过程中有两个或两个以上的化学键破裂和形成时，它们相互协调地在同一步骤中化学键破裂和形成时，它们相互协调地在同一步骤中同时完成。同时完成。周环反应周环反应:在化学反应过程中，能形成环状过渡态的协同反应。在化学反应过程中，能形成环状过渡态的协同反应。环状过渡态环状过渡态一、周环反应概况简解一、周环反应概况简解本讲稿第四页，共八十二页2.周环反应的特点：周环反应的特点：(1)反应过程中没有自由基或离子这一类活性中间体反应过程中没有自由基或离子这一类活性中间体(2)产生；产生；(2)反应速率极少受溶剂极性和酸，碱催化剂的影反应速率极少受溶剂极性和酸，碱催化剂的影 响，也不受自由基引发剂和抑制剂的影响；响，也不受自由基引发剂和抑制剂的影响；(3)反应条件一般只需要加热或光照，而且在加热条反应条件一般只需要加热或光照，而且在加热条 件下得到的产物和在光照条件下得到的产物具有件下得到的产物和在光照条件下得到的产物具有 不同的立体选择性，是高度空间定向反应。不同的立体选择性，是高度空间定向反应。本讲稿第五页，共八十二页电环化反应电环化反应 环加成反应环加成反应 -迁移反应迁移反应3.周环反应的主要反应类别：周环反应的主要反应类别：本讲稿第六页，共八十二页分子轨道对称守恒原理的内容：分子轨道对称守恒原理的内容：化学反应是分子轨道重新组合的过程，分子轨道的对称化学反应是分子轨道重新组合的过程，分子轨道的对称性性支配着支配着反应的进程。反应的进程。在一个协同反应中，分子轨道对称性守恒。在一个协同反应中，分子轨道对称性守恒。(即在即在一个协同反应中，由原料到产物，轨道的对称性始终保一个协同反应中，由原料到产物，轨道的对称性始终保持不变持不变)。因为只有这样，才能用最低的能量形成反应中的因为只有这样，才能用最低的能量形成反应中的过渡态。过渡态。包括两种理论：前线轨道理论，能级相关理论包括两种理论：前线轨道理论，能级相关理论二、分子轨道对称守恒原理简解二、分子轨道对称守恒原理简解本讲稿第七页，共八十二页三、前线轨道理论的概念和中心思想三、前线轨道理论的概念和中心思想1.前线轨道和前线电子前线轨道和前线电子 已占有电子的能级最高的轨道称为最高占有轨道，用已占有电子的能级最高的轨道称为最高占有轨道，用HOMO表示。表示。未占有电子的能级最低的轨道称为最低未占有未占有电子的能级最低的轨道称为最低未占有轨道，用轨道，用LUMO表示。表示。HOMO、LUMO统称为前线轨道，处统称为前线轨道，处在前线轨道上的电子称为前线电子。在前线轨道上的电子称为前线电子。有的共轭体系中含有奇数个电子，它的已占有电子有的共轭体系中含有奇数个电子，它的已占有电子的能级最高的轨道中只有一个电子，这样的轨道称为单的能级最高的轨道中只有一个电子，这样的轨道称为单占轨道，用占轨道，用SOMO表示，表示，单占轨道既是单占轨道既是HOMO，又是又是LUMO。本讲稿第八页，共八十二页2.前线轨道理论的中心思想前线轨道理论的中心思想 前线轨道理论认为：分子中有类似于单个原子的前线轨道理论认为：分子中有类似于单个原子的“价价电子电子”的电子存在，分子的价电子就是前线电子，因此在的电子存在，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。轨道，起关键作用的电子是前线电子。这是因为分子的这是因为分子的HOMO对其电子的束缚较为松弛，具有电对其电子的束缚较为松弛，具有电子给予体的性质，而子给予体的性质，而LUMO则对电子的亲和力较强，具有电子则对电子的亲和力较强，具有电子接受体的性质，这两种轨道最易互相作用，在化学反应过程中接受体的性质，这两种轨道最易互相作用，在化学反应过程中起着极其重要作用。起着极其重要作用。本讲稿第九页，共八十二页1.分子轨道的数目与参与共轭体系的碳原子数是一致的。分子轨道的数目与参与共轭体系的碳原子数是一致的。2.对镜面（对镜面（v）按对称）按对称-反对称反对称-对称交替变化。对二重对称轴对称交替变化。对二重对称轴（C2）按反对称）按反对称-对称对称-反对称交替变化。反对称交替变化。3.结（节）面数由结（节）面数由012逐渐增多。逐渐增多。4 轨道数目轨道数目n为偶数时，为偶数时，n/2为成键轨道，为成键轨道，n/2为反键轨道。为反键轨道。n为为奇数时，奇数时，(n-1)/2为成键轨道，为成键轨道，(n-1)/2为反键轨道，为反键轨道，1个为非键轨个为非键轨道。道。四、直链共轭多烯的四、直链共轭多烯的分子轨道的一些特点分子轨道的一些特点本讲稿第十页，共八十二页孤立单烯孤立单烯分子轨道：分子轨道：反键轨道反键轨道成键轨道成键轨道12基态基态激发态激发态本讲稿第十一页，共八十二页成成键键轨轨道道反反键键轨轨道道共轭二烯共轭二烯分子轨道：分子轨道：1234基态基态激发态激发态本讲稿第十二页，共八十二页成成键键轨轨道道反反键键轨轨道道共轭三烯共轭三烯分子轨道：分子轨道：123465基态基态激发态激发态本讲稿第十三页，共八十二页一一 电环化反应的定义电环化反应的定义二二 电环化反应描述立体化学过程的方法电环化反应描述立体化学过程的方法三三 电环化反应的选择规则电环化反应的选择规则四四 前线轨道理论对电环化反应选择规则的证明前线轨道理论对电环化反应选择规则的证明五五 电环化反应选择规则的应用实例电环化反应选择规则的应用实例第二节第二节 电环化反应电环化反应本讲稿第十四页，共八十二页一、电环化反应一、电环化反应定义定义 共轭多烯烃末端两个碳原子的共轭多烯烃末端两个碳原子的电子环合成一个电子环合成一个键，从而形成比原来分子少一个双键的环烯的反键，从而形成比原来分子少一个双键的环烯的反应及其逆反应统称为电环化反应。应及其逆反应统称为电环化反应。h 本讲稿第十五页，共八十二页外向对旋外向对旋二、电环化反应描述立体化学过程的方法二、电环化反应描述立体化学过程的方法顺时针顺旋顺时针顺旋反时针顺旋反时针顺旋内向对旋内向对旋本讲稿第十六页，共八十二页三、电环化反应的选择规则三、电环化反应的选择规则 h 允许允许共轭体系共轭体系 电子数电子数4n+24n 允许允许 允许允许 h 允许允许顺顺 旋旋 对对 旋旋共轭体系共轭体系 电子数电子数是指链型是指链型共轭烯烃的共轭烯烃的 电子数。电子数。允许允许是指对称性允许是指对称性允许本讲稿第十七页，共八十二页(1)电环化反应中，起决定作用的分子轨道是共轭多烯的电环化反应中，起决定作用的分子轨道是共轭多烯的 HOMO，反应的立体选择规则反应的立体选择规则 主要取决于主要取决于HOMO的的 对称性。对称性。(2)当共轭多烯两端的碳原子的当共轭多烯两端的碳原子的P轨道旋转关环生成轨道旋转关环生成键键 时，必须发生同位相的重叠（因为发生同位相重叠使时，必须发生同位相的重叠（因为发生同位相重叠使 能量降低）。能量降低）。四、四、前线轨道理论对电环化反应选择规则的证明前线轨道理论对电环化反应选择规则的证明前线轨道理论认为：前线轨道理论认为：一个共轭多烯分子在发生电环合反应时，必须掌握二项一个共轭多烯分子在发生电环合反应时，必须掌握二项原则：原则：本讲稿第十八页，共八十二页h 对旋对旋顺旋顺旋本讲稿第十九页，共八十二页1234基态基态激发态激发态本讲稿第二十页，共八十二页32本讲稿第二十一页，共八十二页例例2：五、电环化反应选择规则的应用实例五、电环化反应选择规则的应用实例例例1：175oC+主要产物主要产物本讲稿第二十二页，共八十二页例例3：m 6 对正反应有利对正反应有利m 6 对逆反应有利对逆反应有利（Z,E）-1,3-环辛二烯环辛二烯m=4(7Z,顺顺)-二环二环4.2.0辛辛-7-烯烯EZ本讲稿第二十三页，共八十二页例例4：如何实现下列转变如何实现下列转变？对对h 顺顺本讲稿第二十四页，共八十二页h h h 热热顺顺Pb(OAc)2例例5：完成反应式并对反应情况作出解释：完成反应式并对反应情况作出解释杜瓦苯杜瓦苯本讲稿第二十五页，共八十二页例例6：完成反应式并对反应情况作出解释：完成反应式并对反应情况作出解释CH3O-N2-N2CH3O-本讲稿第二十六页，共八十二页例例7：完成反应式并对反应情况作出解释：完成反应式并对反应情况作出解释H2OH2O内向对旋内向对旋-H+本讲稿第二十七页，共八十二页外向对旋外向对旋本讲稿第二十八页，共八十二页一一 环加成反应的定义、分类和表示方法环加成反应的定义、分类和表示方法二二 环加成反应的选择规则环加成反应的选择规则三三 前线轨道理论对环加成反应选择规则的前线轨道理论对环加成反应选择规则的 证明证明四四 环加成反应选择规则的应用实例环加成反应选择规则的应用实例五五 1,3-偶极环加成反应偶极环加成反应第三节第三节 环加成反应环加成反应本讲稿第二十九页，共八十二页环加成反应的逆反应为环消除反应。环加成反应的逆反应为环消除反应。一、环加成反应的定义、分类和表示一、环加成反应的定义、分类和表示1.定义定义:两个或多个带有双键、共轭双键或孤对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电子的分子相互作用，形成一个稳定的环状化合物的反应称为环加成反应。化合物的反应称为环加成反应。本讲稿第三十页，共八十二页根据每一个反应物分子所提供的反应电子数来分类根据每一个反应物分子所提供的反应电子数来分类2.分类和表示分类和表示4+22+2本讲稿第三十一页，共八十二页二、二、环加成反应的选择规则环加成反应的选择规则环加成反应的环加成反应的Woodward-Hoffmann选择规则选择规则h 参与反应的参与反应的电子数电子数4n+24n同面同面-同面同面允许允许允许允许禁阻禁阻禁阻禁阻h 本讲稿第三十二页，共八十二页（1）两个分子发生环加成反应时，起决定作用的轨道是）两个分子发生环加成反应时，起决定作用的轨道是一个一个 分子的分子的HOMO和另一个分子的和另一个分子的LUMO，反应过程反应过程中电子由一个分子的中电子由一个分子的HOMO流入另一个分子的流入另一个分子的LUMO。三、前线轨道理论对环加成反应选择规则的证明三、前线轨道理论对环加成反应选择规则的证明前线轨道理论认为：前线轨道理论认为：两个分子之间的协同反应按照下列三项原则来进行：两个分子之间的协同反应按照下列三项原则来进行：本讲稿第三十三页，共八十二页（2）当两个分子相互作用形成）当两个分子相互作用形成键时，两个起决定作键时，两个起决定作用的轨道的重叠必须位相相同。用的轨道的重叠必须位相相同。（3）相互作用的两个轨道，能量必须接近，能量越接近，）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。（因为互相作用的分子轨道能量越接近，反应越易进行。（因为互相作用的分子轨道能量越接近，E越大，体系能量降低越多）。越大，体系能量降低越多）。本讲稿第三十四页，共八十二页反键轨道反键轨道成键轨道成键轨道12基态基态激发态激发态4+2环加成反应的前线轨道理论分析：环加成反应的前线轨道理论分析：本讲稿第三十五页，共八十二页1234基态基态激发态激发态本讲稿第三十六页，共八十二页加热条件下加热条件下(基态基态)：丁二烯：丁二烯：乙烯：乙烯：HOMO(2):LUMO(2):丁二烯：丁二烯：乙烯：乙烯：HOMO(1):LUMO(3):或或本讲稿第三十七页，共八十二页光照条件下光照条件下(激发态激发态)：丁二烯：丁二烯：乙烯：乙烯：HOMO(3):LUMO(2):丁二烯：丁二烯：乙烯：乙烯：LUMO(3):HOMO(2):或或本讲稿第三十八页，共八十二页实例一：写出下列反应的反应条件：实例一：写出下列反应的反应条件：四、环加成反应选择规则的应用实例四、环加成反应选择规则的应用实例1.+h h 2.本讲稿第三十九页，共八十二页h h 4+43.4.本讲稿第四十页，共八十二页实例三：完成反应式实例三：完成反应式实例二：写出下列反应的产物实例二：写出下列反应的产物+4+62+4本讲稿第四十一页，共八十二页实例四：完成反应式：实例四：完成反应式：+4+2+O=C=O140oC逆向逆向4+2本讲稿第四十二页，共八十二页实例五：写出下列反应的机理实例五：写出下列反应的机理+Cl3CCO2AgCH2Cl2/SO2-H+本讲稿第四十三页，共八十二页实例六实例六：写出下列反应的机理：写出下列反应的机理H3PO4-H+H3PO4本讲稿第四十四页，共八十二页五、五、1,3-偶极环加成反应偶极环加成反应1.1,3-偶极化合物的结构和分子轨道偶极化合物的结构和分子轨道 定义：能用偶极共振式来描述的化合物称为定义：能用偶极共振式来描述的化合物称为1,3-偶极化合物偶极化合物本讲稿第四十五页，共八十二页例如：例如：（腈叶利德）（腈叶利德）（氧化腈）（氧化腈）（重氮烷）（重氮烷）本讲稿第四十六页，共八十二页 1,3-偶极化合物的结构特点偶极化合物的结构特点 这类化合物都具有这类化合物都具有“在三个原子范围内包括在三个原子范围内包括4个电子个电子的的体系体系”本讲稿第四十七页，共八十二页34经典极限式经典极限式本讲稿第四十八页，共八十二页1,3-偶极化合物的偶极化合物的分子轨道的特点：分子轨道的特点：与烯丙基负离子具有类似的与烯丙基负离子具有类似的分子轨道的分子轨道的特点。特点。LUMOHOMO本讲稿第四十九页，共八十二页 定义：定义：1,3-偶极化合物和烯烃、炔烃或相应衍生物生成偶极化合物和烯烃、炔烃或相应衍生物生成五元环状化合物的环加成反应称为五元环状化合物的环加成反应称为1,3-偶极环加成反应。偶极环加成反应。2.1,3-偶极环加成反应偶极环加成反应本讲稿第五十页，共八十二页如果用前线轨道理论来处理如果用前线轨道理论来处理1,3-偶极环加成反应，偶极环加成反应，基态时具有如下的过渡态。基态时具有如下的过渡态。基态时，同面基态时，同面-同面加成是分子轨道对称守恒原理同面加成是分子轨道对称守恒原理允许的。允许的。亲偶极体亲偶极体LUMO HOMO1,3-偶极体偶极体 HOMO LUMO本讲稿第五十一页，共八十二页3.1,3-偶极环加成反应的实例偶极环加成反应的实例 1,3-偶极环加成反应提供了许多极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。有价值的五元杂环新合成法。实例一实例一:本讲稿第五十二页，共八十二页C6H5CH=OC6H5N=OR”C C R”CH2=CHRS=C=S本讲稿第五十三页，共八十二页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实例二实例二:本讲稿第五十四页，共八十二页 1,3-偶极环加成反应是立体专偶极环加成反应是立体专一的同向反应一的同向反应CH2N2实例三实例三本讲稿第五十五页，共八十二页+-CO2实例四实例四:阐明下列反应的机理阐明下列反应的机理本讲稿第五十六页，共八十二页H+转移转移本讲稿第五十七页，共八十二页H+转移转移逆向逆向1,3-偶极环偶极环加成反应加成反应-O=C=O正向正向1,3-偶极环偶极环加成反应加成反应+本讲稿第五十八页，共八十二页一、一、-迁移反应的定义、命名和立体化学迁移反应的定义、命名和立体化学 表示方法表示方法二二、-迁移反应的选择规则迁移反应的选择规则三三、前线轨道理论对前线轨道理论对-迁移反应选择规则迁移反应选择规则 的证明的证明四四、-迁移反应选择规则的应用实例迁移反应选择规则的应用实例第四节第四节 -迁移反应迁移反应本讲稿第五十九页，共八十二页 在化学反应中，一个在化学反应中，一个键沿着共轭体系由一个位键沿着共轭体系由一个位置转移到另一个位置，同时伴随着置转移到另一个位置，同时伴随着键转移的反应键转移的反应称为称为-迁移反应。迁移反应。在在-迁移反应中，原有迁移反应中，原有键的断裂，新键的断裂，新-键的形键的形成以及成以及键的迁移都是经过环形过渡态协同一步完成键的迁移都是经过环形过渡态协同一步完成的。的。一、一、-迁移反应的定义、命名迁移反应的定义、命名 和立体化学表示方法和立体化学表示方法1.定义：定义：本讲稿第六十页，共八十二页2.命名方法命名方法1,3-迁移迁移本讲稿第六十一页，共八十二页1,5-迁移迁移本讲稿第六十二页，共八十二页3,5-迁移迁移本讲稿第六十三页，共八十二页5,5-迁移迁移本讲稿第六十四页，共八十二页3.立体化学的表示方法立体化学的表示方法同面迁移同面迁移异面迁移异面迁移同面同面-同面迁移同面迁移本讲稿第六十五页，共八十二页同面同面-异面迁移异面迁移异面异面-异面迁移异面迁移本讲稿第六十六页，共八十二页构型翻转构型翻转构型保持构型保持本讲稿第六十七页，共八十二页二、二、-迁移反应的选择规则迁移反应的选择规则参与环型过渡态的参与环型过渡态的 电子数电子数(1+j)or(i+j)4n+24n反反 应应 分分 类类H1,j -迁移迁移C 1,j -迁移迁移C i,j -迁移迁移允许允许允许允许允许允许允许允许h h h h 禁阻禁阻禁阻禁阻禁阻禁阻禁阻禁阻构型保持构型保持构型翻转构型翻转同面迁移同面迁移同面迁移同面迁移同面迁移同面迁移同面同面-同面迁移同面迁移异面迁移异面迁移异面迁移异面迁移异面迁移异面迁移异面异面-异面迁移异面迁移同面同面-异面迁移异面迁移本讲稿第六十八页，共八十二页三、前线轨道理论对三、前线轨道理论对迁移反应选择规则的证明迁移反应选择规则的证明 1.处理处理1,j 迁移的方法迁移的方法:(1)让发生迁移的让发生迁移的键发生均裂，产生一个氢自由基键发生均裂，产生一个氢自由基(或碳自由或碳自由基基)和一个奇碳共轭体系自由基，把和一个奇碳共轭体系自由基，把1,j 迁移看作是一个迁移看作是一个氢自由基（或一个碳自由基）在一个奇碳共轭体系自由基氢自由基（或一个碳自由基）在一个奇碳共轭体系自由基上移动完成的。上移动完成的。本讲稿第六十九页，共八十二页(2)在在1,j 迁移反应中，起决定作用的分子轨道是奇碳迁移反应中，起决定作用的分子轨道是奇碳共轭体系中含有单电子的前线轨道，共轭体系中含有单电子的前线轨道，1,j 迁移反应的立迁移反应的立体选择规则完全取决于奇碳共轭体系自由基中含有单电子体选择规则完全取决于奇碳共轭体系自由基中含有单电子的轨道的对称性。的轨道的对称性。本讲稿第七十页，共八十二页1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15非键轨道非键轨道(基态基态)的特点：的特点：A.偶数碳原子上的电子云密度为零；偶数碳原子上的电子云密度为零；B.奇数碳原子上的电子云密度相等，轨道的波相交替奇数碳原子上的电子云密度相等，轨道的波相交替变化。变化。分成两种情况：分成两种情况：(4n-1)(4n-1)系列碳原子：其波相与系列碳原子：其波相与C1的波相相反的波相相反 (4n+1)(4n+1)系列碳原子：其波相与系列碳原子：其波相与C1的波相相同的波相相同 (激发态的轨道波相的情况正好相反激发态的轨道波相的情况正好相反)本讲稿第七十一页，共八十二页(3)在在-迁移反应中，新迁移反应中，新 键形成时必须发生同位相重迭。键形成时必须发生同位相重迭。若迁移到若迁移到(4n-1)系列的碳原子上；系列的碳原子上；基态：异面迁移基态：异面迁移 激发态：同面迁移激发态：同面迁移若迁移到若迁移到(4n+1)系列的碳原子上，系列的碳原子上，基态：同面迁移基态：同面迁移 激发态：异面迁移激发态：异面迁移本讲稿第七十二页，共八十二页基态基态激发态激发态D1,3-迁移迁移本讲稿第七十三页，共八十二页激发态：激发态：基态：基态：D1,3-迁移迁移加热加热光照光照D1,3-迁移迁移本讲稿第七十四页，共八十二页2.处理处理i,j 迁移的方法迁移的方法:(1)让发生迁移的让发生迁移的键发生均裂，产生两个奇碳共轭体键发生均裂，产生两个奇碳共轭体系自由基，把系自由基，把i,j 迁移迁移看作是这两个看作是这两个奇碳共轭体系奇碳共轭体系的相互作用的相互作用完成的。完成的。(2)在在i,j 迁移反应中，起决定作用的分子轨道迁移反应中，起决定作用的分子轨道是是这两个这两个奇碳共轭体系中含有单电子的前线轨道奇碳共轭体系中含有单电子的前线轨道。(3)在在-迁移反应中，新迁移反应中，新 键形成时必须发生同位相重键形成时必须发生同位相重迭。迭。本讲稿第七十五页，共八十二页 实例一：写出下列反应中实例一：写出下列反应中H*1，j-迁移的反应产物迁移的反应产物四、四、-迁移反应选择规则的应用迁移反应选择规则的应用-反应实例反应实例(2R,3Z,5Z)-2-氘代氘代-6-甲基甲基-3,5-辛二烯辛二烯(2S,3Z,5E)-2-氘代氘代-6-甲基甲基-3,5-辛二烯辛二烯(2E,4Z,6R)-2-氘代氘代-6-甲基甲基-2,4-辛二烯辛二烯*+*本讲稿第七十六页，共八十二页实例二实例二 写出下列反应的反应条件写出下列反应的反应条件C 1,5 -迁移，基态同面迁移，基态同面构型保持构型保持C1-C9键迁移键迁移本讲稿第七十七页，共八十二页C 1,5 -迁移迁移C1-C6键迁移键迁移构型保持构型保持本讲稿第七十八页，共八十二页同面迁移同面迁移H 1,5 -迁移迁移光照光照(激发态激发态)不能反应不能反应(C5C4)本讲稿第七十九页，共八十二页同面迁移同面迁移D1,5 -迁移迁移(C4C3)本讲稿第八十页，共八十二页实例三实例三 完成反应式完成反应式100%基态基态激发态激发态基态基态激发态激发态本讲稿第八十一页，共八十二页 理论上理论上3,3-迁移迁移是可逆的，实际上是可逆的，实际上反应停留在较稳定的产物上。反应停留在较稳定的产物上。Claisen重排重排Cope重排重排推广：推广：本讲稿第八十二页，共八十二页