物理有机化学第10章周环反应.ppt

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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 Chapter 1 2周环反应周环反应一一 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

2、应的特征周环反应的特征：(1)反应中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 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。篮烯篮烯（basketene）1.电环化反应电环化反应 (1)4n个个电子体系电子体系(E,E)-2,4-hexadiene(Z,E)-2,4-he

3、xadiene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-octatriene2 环加成反应环加成反应2+1环加成：环加成：2+2环加成：环加成：4+1环加成：环加成：1,3-偶极加成：偶极加成：4+2环加成：环加成：（1）2+2环加成反应环加成反应2)Diels-Alder反应反应(双烯加成反应双烯加成反应)双烯加成共轭双烯与含有

4、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!OttoDiels(1876-1954)德国德国1950年获奖年获奖KurtAlder，(19021958)德国德国1950年获奖年获奖双烯体双烯体 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 （b）Diels-Alder反应的定向作用反应的定向作用（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

5、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。反反-1,3-戊二烯戊二烯 4-甲基甲基-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 ：1反应速度反应速度 =0.05 ：1反应速度反应速度 =27 ：1（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（

6、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。（e）Diels-Alder反应的立体化学反应的立体化学顺式加成规则：顺式加成规则：内向加成（内向加成（endoaddition)规则：规则：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

7、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：（3）3+2环加成（环加成（1,3-偶极环加成）偶极环加成）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反应实例：反应实例：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。对于某些对于某些1,3-偶极分子，当顺式加成按不同偶极分子，当顺式加成按不同方

8、向时，生成两种异构体。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。1,3-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。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：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

9、，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-迁迁移重排移重排。1,n-迁移反应迁移反应3,3-迁移反应迁移反应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C1,3-迁移迁移100oC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C

10、1-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（2）3,3迁移反应迁移反应（a）Claisen重排反应重排反应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：乙酸烯丙基酯的烯醇负离子

11、的Claisen重排：其它类型Claisen重排：解释下列实验事实解释下列实验事实赤型产物赤型产物3%E型型E型型+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分析分析（b）Cope重排反应重排反应Cope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：3,3-迁移反应要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

12、实Meso 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（2）（1）（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2,3 迁移反应也是重要的一类重排反应。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

13、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，Hofm

14、ann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2+2环加成反应的分子轨道与成键方式：环加成

15、反应的分子轨道与成键方式：HOMO+LUMO(I)热反应（对称禁阻）热反应（对称禁阻）(II)光反应（对称允许）光反应（对称允许）激发态激发态HOMO+基态基态LUMO4+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双烯体基态双烯体基态 HOMO+亲双烯体基态亲双烯体基态LUMO双烯体基态双烯体基态 HOMO+亲双烯体基态亲双烯体基态LUMO能量相关原理能量相关原理 环丁烯对旋开环生成环丁烯对旋开环生成丁二烯，在反应的每一个丁二烯，在反应的每一个阶段都保持有对称面：阶段都保持有对称面：有关轨道相对于这个对称面的对称性：有关轨道相对于这个对称面的对称性：环

16、丁烯环丁烯丁二烯丁二烯环丁烯和丁二烯的轨道相关图：环丁烯和丁二烯的轨道相关图：*A A A4 4 *AS3 3 SA2 2 SS S1 1成键轨道与反键轨道成键轨道与反键轨道相关，能量上不利相关，能量上不利对称性对称性禁阻禁阻环丁烯如果是顺旋开环生环丁烯如果是顺旋开环生成丁二烯，则始终保持对成丁二烯，则始终保持对C2轴的对称：轴的对称：有关轨道相对于这个对称轴的对称性：有关轨道相对于这个对称轴的对称性：环丁烯环丁烯丁二烯丁二烯环丁烯和丁二烯的轨道相关图：环丁烯和丁二烯的轨道相关图：成键轨道与成键轨道成键轨道与成键轨道相关，能量上有利相关，能量上有利对称性对称性允许允许1.周环反应有哪些明显的特

17、征?2.在下列反应序列中化合物A、B和C各是什么？3.阐明下面反应的机理，包括（）反应属于什么类型？（）反应是通过什么过渡态完成的？（）写出详细的反应过程以阐明产物为什么具有下式中的结构。思考题解答4 顺,顺,顺-1,3,5-环辛三烯加热得到化合物M(C8H10)，化合物M与丁炔二酸二甲酯作用得到化合物N(C14H16O4)，化合物N加热分解产物为环丁烯和邻苯二甲酸二甲酯。写出化合物M和N的立体结构，并说明在各反应中发生了什么过程。第一步：加热条件下，4n+2体系的电环合反应，对旋，得到顺式稠合的化合物M。第二步：加热条件下，4n+2体系的环加成反应（同面-同面），得到化合物N。第三步：加热条件下，4n+2体系，环加成逆反应。