有机光化学反应.pptx
第八章第八章 有机光化学反应有机光化学反应 光化学就是研究被光激发的化学反应。在光化学反应中，光作为化学变化的能源，反应吸收光能而得到活化，经电子跃迁变为激激发发态态（excited state）。激发态形成后开始引起反应。因此光化学反应之所以能进行，就是已被激活的分子具有较高能量，在相互作用下逐步发生化学键的断裂或连接。光光化化学学与与热热化化学学的的共共同同点点 二者都属于化学领域，可用同样的一些基本理论来考虑和表述反应模式：第1页/共51页 化学过程为分子中电子的分布及反应过程中电子的再组合。服从热力学基本定律。大基团的立体化学效应。光光化化学学与与热热化化学学的的区区别别 分子在基基态态和激激发发态态的电子分布和构型不同，因而极性、酸碱性等理化性质不同。热化学属于基基态态化化学学，相当于越过最佳捷径，通过高地而达到山之彼坡；光化学属于电电子子激激发发态态化化学学，相当于站在山巅上找下山的路，已占有高度逐级下降的可能途径，只是需选择哪些是允许的道路。第2页/共51页反反应应活活化化能能 在基基态态情况下，热化学所需活化能来自分子碰撞，靠提高体系的温度可以实现，反应速率受受温温度度影影响响大大；光化学反应所需活化能靠吸收光子供给，分子激激发发态态内能较高，反应活化能一般较小，反应速率受受温温度度影影响响不不明明显显，只要光波长和强度适当，大多在室温或低温下能发生。反反应应结结果果 二者产物种类和分布不同。热化学反应通道不多，产物主要经由活化能最低的通道。光化学反应机理较复杂，分子吸收光能后处于高能量状态，有可能产生不同的反应过渡态和活性中间体，得到热反应所得不到的某些产物。第3页/共51页但由于高激发态分子寿命很短，所以有实际意义的只能是能量较低的几个激发态。尽管如此，这些激发态所处的能量位置仍高于好几种反应通道所需的活化能，故造成其反应复杂性和多样性反应复杂性和多样性。化化学学平平衡衡 热反应的平衡状态是热力学性质，()T,P体系G0。光反应的平衡与光强度相关，不少光化学反应使体系G0。能能量量的的提提供供 与加加热热一般只是提提高高分分子子运运动动的的平平均均能能量量不同，给给定定波波长长的能量可比加热所能提供的能量大得多，可使处处于于基基态态的的电电子子跃跃迁迁到到内内能能很很高高的的激激发发态态，因此有机分子吸收光后所具有的能量足以使共价键断裂而引发化学反应。第4页/共51页 虽然高温加热也能提供较高的能量，但常会引发许多副反应使化学过程更为复杂，所以激发态的反应应以光照为宜，而基态进行的反应可以加热方式引发。在近20年来有机光化学的迅速进展之中，概括起来有如下几类反应的研究尤为广泛：光光诱诱导导的的周周环环反反应应（环环加加成成、电电环环化化、-迁迁移移及及类类似似的的单单线线态态氧氧反反应应），单单电电子子转转移移反反应应，NorrishNorrish型型反反应应以以及及重重排排反反应应。高能量的光活化分子特别适宜于具有高内能的小环、多环及笼环有机分子的合成，这往往是传统合成反应所难以实现的。第5页/共51页8-1 有机光化学反应的基本概念 一、激发态 1.电子激发 到目前为止，绝大多数有机光化学反应都是通过*，n*跃迁进行的，但利用光敏剂，在可见光下也能发生。2.激发态的多重态 激发态的多重态是指在强度适当的磁场影响下化合物在原子吸收和发射光谱中谱线裂分的数目，即电子状态的多重性M。M2S1（S：体系内电子自旋量子数的代数和）。第6页/共51页 M1电子自旋配对单线态（S）大多数基态分子（O2例外）。M3有偶数个未成对电子三线态（T）顺磁性物质。基态分子的电子能量最低：S0和T0，光化学中一般研究的是能量最低的激发态S1和T1。二、电子激发的选择定则 1.Hund规则 电子的稳定排列是具有最大的自旋多重性，即三线态比单线态能量低：电子自旋平行排斥作用小能量低。第7页/共51页 2.电子激发禁忌规则 (1)自旋禁忌跃迁 自旋守恒的激发过程是允许的，例如：S0 S1和T0 T1；不遵守选择定则的跃迁不发生或发生的几率很低，例如：S0 T1，若要实现可经由S0 S1 T1，通过电子自旋反转。甲醛分子：n*第8页/共51页 (2)对称禁忌跃迁 属于此类跃迁的分子都有对称中心，分子轨道通过其对称中心进行反射。位相符号未改变：对称（g），位相符号改变：反对称（）。从g或g的跃迁是允许的，例如：乙烯分子的*；从或gg的跃迁是对称禁阻的。*(g)()+第9页/共51页 (3)空间取向 空间取向相同轨道间的跃迁易发生，例如：*；否则不易发生，例如：n*。三、激发态的能量释放 一个分子从基态升到能量不同的能级较高的多重激发态时，意味着此时分子的能量比基态的能量高，具有比基态短得多的寿命。因此激发态的分子比较活泼，又很快转回基态或同时发生化学反应或物理变化的趋势，这一过程称为弛豫。该过程伴随着能量的释放：化学反应释放和光物理释放。第10页/共51页 1.1.光物理过程光物理过程 荧光去活（hf,fruorescence）：由激发单线态发射产生，例S1 S0，为自旋允许。磷光去活（hp,phosporescence）：由激发三线态发射产生，例T1 S0，通常出现在波长比较长的区域，为自旋禁阻，其过程很慢。辐射释放(辐射去活法)回到基态分子内与外界交换能量 第11页/共51页内部转化（IC,conversion）：某个状态向具有同样多重性的另一个状态间的转化，是等能过程。如S2S1。系间穿越(ISC,intersystem crossing)：由一种状态转换为具有不同多重性的另一种状态，也不损失能量。如S1T1。非辐射释放(非辐射去活法)不回到基态分子内等能过程 第12页/共51页 由于三线态分子在体系中存在时间长，与其它分子碰撞的几率高，因而发生光化学反应的几率高，而ISC则是产生三线态的最有利途径：分子间碰撞振动阶式消失（VC,vibrational cascade）第13页/共51页激发态和基态转变图解第14页/共51页 2.2.化学反应过程化学反应过程 (1)(1)单单分分子子光光化化学学反反应应 由T1或S1自身发生变化，与其他分子无关的反应。例如：光解、激发态本身的异构化和重排等反应。(2)(2)双分子光化学反应双分子光化学反应 一个处在T1或S1的激发态分子和一个基态分子之间的反应。3.3.敏化作用和猝灭作用敏化作用和猝灭作用 (1)(1)敏敏化化作作用用(sensitation)(sensitation)一个激发态分子D将其激发能传递给一个基态分子A，D自身转化为基态分子，A转化为激发态分子的过程。化合物D称为光光敏敏剂剂。在紫外光照射下不能产生T1的化合物可借助光敏剂进行光化学反应。第15页/共51页作为光敏剂应具备的条件作为光敏剂应具备的条件v自身能被光辐射激活；v在体系中要有足够浓度，能吸收足够量的光子，且比反应物吸收得更多、更有效率；v能把自己的激发能量传递给反应物。WignerWigner自旋守恒规则自旋守恒规则 两个分子经能量传递后，自旋电子的数目保持不变。能借助光敏剂进行光化学反应的条件能借助光敏剂进行光化学反应的条件光敏剂T1能量高于受体，并有足够长的寿命完成能量传递；受体S1能量高于光敏剂；光敏剂与受体吸收光不在同一波段。第16页/共51页例例1 1 萘通过二苯酮的光敏化作用产生三线态S0T1T1S1S1萘二苯酮E萘和二苯酮的第一激发态单线态和第一激发态三线态的能级第17页/共51页 (2)2)猝猝灭灭作作用用(quenching)(quenching)一个激发态分子C发生了去活化作用，即在能量的传递过程C从光得到的激活能量未来得及发生光化学反应，就被另一种分子B夺去，B不进行光化学反应，而是通过其它途径将能量散失在周围环境中。化合物B称为猝猝灭剂灭剂。3.3.光化反应量子产率光化反应量子产率激发态有三种“命运”：发生光化学反应（k1），猝灭（k2），辐射、非辐射释放（湮没,k3）。第18页/共51页例例2 2 蒽的光化学反应量子产率：（quantum yield）第19页/共51页 四、光化学反应四、光化学反应 1.1.光光化化学学反反应应过过程程中中的的活活化化分分子子 电子激发的单线态和三线态，振动“热”基态。处于激发态的分子振动能级极大，其平衡核间距比基态的平衡核间距大得多，化学键断裂，被激发的分子离解，成为两个比较小的分子或两个游离基，光解形成的游离基处于激发态，与其它途径形成的游离基性质有所不同。第20页/共51页 2.2.光化学反应的途径光化学反应的途径途途径径1 1 分子吸收光子到达激发态在与基态势能非常接近的地方回到基态生成另一种基态结构并随着基态势能面到达产物非绝热光反应或热基态反应非绝热光反应或热基态反应。途途径径2 2 分子吸收光子到达激发态随激发态势能面到达产物的激发态给出一光子回到基态绝绝热热光光反反应应。如果通过热化学方法产生激发态分子化学发光过程，或黑暗中的光化学。第21页/共51页 3.3.光化学反应的过程光化学反应的过程 光化学反应可明显的被分成初初级级过过程程和和次次级级过过程程。初级过程中分子吸收一定波长的光成为激发态分子 解离后生成各种自由基、原子等中间体引起次级反应生成各种产物。4.4.影响光化学反应的因素影响光化学反应的因素 (1)(1)光波长及光源光波长及光源 决定被激发分子形态和可能的断键位置 (2)(2)光的辐射强度光的辐射强度 决定光化学反应的速率 (3)(3)溶剂溶剂 影响液相光化学反应第22页/共51页 8-2 烯烃的光化学 一、顺反异构化反应一、顺反异构化反应例例1 1 光引发反应：经单线态 313nm光稳定化状态（photostationary state）93 7 2280 16300 0.3 0.5 第23页/共51页278nm294nm烯烃的Z/E异构化过程扭转的P（perpendicular）式状态（S1）11第24页/共51页顺式异构体的非键斥力 两个苯环共平面性 电子离域程度 基态与激发态能级差 如果Z/E二者浓度相当，且相互转变的量子吸收率接近，则反式优先被激发，异构化变为顺式的几率 光稳定状态时含有更多的在激发波长下吸光系数较小的化合物 光敏剂引发反应：经三线态。所用光敏剂不同，其三线态的能量不同，光稳定状态时异构体含量不同。287kJ/mol第25页/共51页59T T1 1240kJ/mol芘(201kJ/mol)为敏化剂，顺式比例：92205kJ/mol第26页/共51页例例3 3 例例2 2 第27页/共51页例例2 2 三线态敏化加成反应 二、加成反应二、加成反应例例1 1 单线态烯烃与基态烯烃之间的立体专一性协同加成反应：2 22 2环加成环加成 第28页/共51页 三、重排反应三、重排反应例例1 1 双自由基的1,3-迁移重排 例例2 2 二-甲烷重排反应 第29页/共51页例例3 3 不对称二-甲烷重排反应 第30页/共51页8-3 苯化合物的光化学 一、苯的激发态和光加成反应一、苯的激发态和光加成反应 1.1.苯的激发态和异构化苯的激发态和异构化第31页/共51页第32页/共51页机理佐证：苯在CF3CH2OH中光解可得到以下两种产物：第33页/共51页 2.2.加成反应加成反应1,2-1,3-1,4-1,3-加成反应的立体专一性第34页/共51页 二、芳环光取代反应二、芳环光取代反应 在基态芳香族化合物的化学中，亲电和亲核取代反应的电子控制因素和取代模式可以用其反应时形成的中间体稳定性来解释，而光化学活化的反应结果与热化学有着显著差别。光反应中，主要是芳环*激发产生单线态后发生反应，但三线态的反应也不少见，从而可发生不同于单线态的取代模式。例例1 1：第35页/共51页 连有给电子或吸电子取代基苯的激发态价键代表式如下所示：例例2 2 光照条件下，乙酸-3,5-二甲氧基苄酯的溶剂解反应和乙酸-4-甲氧基苄酯的偶联反应 第36页/共51页第37页/共51页例例3 3 磷酸-3-硝基苯酯的光溶剂解反应第38页/共51页例例4 4 光照条件下，间硝基苯氧基乙胺的分子内亲核取代反应第39页/共51页 三、芳环化合物的光激发侧链重排反应三、芳环化合物的光激发侧链重排反应 FriesFries重排重排热反应热反应光反应光反应第40页/共51页例第41页/共51页 8-4 8-4 羰基化合物的光化学反应 一、羰基化合物的激发态一、羰基化合物的激发态 1 1.n.n*280nm 280nm*n定域在氧原子的sp2杂化轨道上离域在羰基的*轨道上造成基态和激发态的极性差异和几何构型的改变第42页/共51页 2.2.*酮羰基与一个较长的酮羰基与一个较长的体系共轭时，易发生此类跃迁。上述两类跃迁的区分：光波长和吸收强度光波长和吸收强度 *波长 n*，*吸收强度 n*溶剂溶剂 溶剂的极性溶剂化效应 基态n 电子稳定性 n*蓝蓝移；处于*电子的极性电子溶剂的极性*轨道能级降低程度 轨道 *红红移第43页/共51页 二、光化还原反应二、光化还原反应 *，T T1 1参与反应参与反应 1 1.反应机理反应机理hISC从溶剂中夺H偶联第44页/共51页 三、光解反应三、光解反应 1 1.Norrish.Norrish型反应型反应 h第45页/共51页例h第46页/共51页 2 2.Norrish.Norrish型反应型反应 夺氢夺氢关环关环,分裂分裂第47页/共51页例h第48页/共51页 四、与烯烃的加成反应四、与烯烃的加成反应11第49页/共51页练习题第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页
