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1、有机反应机理第第8章章 周环反应的理论和机理周环反应的理论和机理8.1 概述概述8.2 周环反应的理论周环反应的理论8.3 周环反应的机理和立体化学周环反应的机理和立体化学有机反应机理1 什么是周环反应？常见的周环反应有哪些？2 什么是对称性允许或热允许的反应？什么是对称性禁阻或热禁阻的反应？3 了解芳香过渡态理论、前线轨道理论和轨道相关法判别周环反应轨道对称性的基本方法4 如何用周环反应的普遍规则判别周环反应轨道对称性？5 了解环加成反应、电环反应和迁移重排反应的机理和立体化学规律有机反应机理8.1 概述概述周环反应(pericyclic reactions)指的是经由环状过渡态的协同反应常
2、见的周环反应环加成反应电环反应-迁移重排反应有机反应机理环加成反应(cycloaddition)环加成反应是由两个或多个分子通过电子转移形成新的键，从而缩合成环状化合物的反应依据反应组分电子数目的不同，环加成反应可分为2+2，2+4，4+4，2+2+2等不同类型有机反应机理2+4有机反应机理有机反应机理在环加成反应中，对于参与反应的每一个组分，键的生成有两种不同的方式假如新生成的两个键位于该组分分子平面的同侧，则称该组分为同面组分(suprafacial)，简写为S如新生成的两个键位于该组分分子平面的两侧，则称该组分为异面组分(antarafacial)，简写为a有机反应机理因此，以下反应可分
3、别记为2S+4S和2S+4a有机反应机理2s+4s的环加成反应称作Diels-Alder反应，是一类重要的有机合成反应，可用于合成一系列环状化合物与Diels-Alder反应类似的2+4环加成反应还有1,3-偶极环加成(1,3-dipolar addition)，反应通式可表示为有机反应机理1,3-偶极组分 作为1,3-偶极组分的试剂可以是有4个电子的各种稳定的分子或活泼中间体，例如有机反应机理有机反应机理2+2+2Berthelot,1866反应虽然是对称性允许的，但须要很高的温度，实际的应用很少有机反应机理近年来，发觉很多过渡金属协作物可催化此类反应反应是分步进行的，不是原来意义上的周环反
4、应钴、镍、钌、铑的络合物是常用催化剂，己发展成一类重要的原子经济性反应有机反应机理电环反应 电环反应(electrocyclic reaction)是指通过键与键的相互转换而发生的分子内开环或闭环反应，例如电环开环有机反应机理电环闭环有机反应机理电环反应中，断裂或生成键有对旋和顺旋两种方式:以己三烯的闭环为例己三烯对旋(disrotatory)闭环有机反应机理己三烯顺旋(conrotatory)闭环开环反应亦如此。反应按何种方式进行，取决于环的大小有机反应机理-迁移重排-迁移重排是指分子内的键沿着共轭体系迁移由于键涉及两个原子，通常用i,j来表示迁移重排反应中键位置的转移状况有机反应机理例如，
5、有机化学中重要的cope重排3，3-迁移重排，键位置的转移状况可表示如下有机反应机理其它迁移重排反应1,3迁移3,5迁移有机反应机理分子间的-迁移重排：烯反应（ene reaction)Alder,1943可看作分子间的1,5-氢迁移有机反应机理烯反应也是一类特别重要的原子经济性合成反应以下是一些烯反应的实例有机反应机理醛羰基的烯反应实例BINOL起什么作用？有机反应机理酮羰基的烯反应实例有机反应机理烯烃之间的烯反应有机反应机理其它类型的烯反应有机反应机理8.2 周环反应的理论 为了用分子轨道法预料周环反应能否发生、发生的机理以及立体化学结果，先后发展了多种理论，包括芳香过渡态理论前线轨道理论
6、轨道相关法有机反应机理LCAO MO法要点量子力学的Schrodinger方程 或：有机反应机理LCAO MO法认为分子轨道是原子轨道的线性组合式中ci为系数；i为第i个C原子的原子轨道（P轨道）分子中每个电子的运动状态均可用一个单电子波函数来描述 有机反应机理将=cii 代入Schrodinger方程得(1)式：有机反应机理分别用1，2，n遍乘(1)式，并求空间积分得：令：有机反应机理上述方程组可用矩阵表示为称作久期方程有机反应机理休克尔分子轨道法的基本假设围绕这些积分的计算，发展了多种分子轨道法，如自洽场分子轨道法(1)对于分子轨道的计算，假设电子在由原子核和电子组成的原子实势场中运动，不
7、考虑电子轨道与电子轨道的重叠有机反应机理（2）假设库仑积分Hij 当i=j时为，即：近似为第i个C原子2p电子的平均能量，不考虑C原子位置的差别,一律视为固定参数H11=H22=H33=有机反应机理（3）假设交换积分Hij当i和j相邻 Hij=当i和j不相邻 Hij=0为负值有机反应机理（4）假设重叠积分Sij:当i=j时：Sij=1；当ij 时：Sij=0有机反应机理依据休克尔分子轨道法的近似，对于开链多烯共轭体系，久期方程可简化成有机反应机理对于环状共轭体系，久期方程可简化成有机反应机理久期方程有非零解的条件是系数行列式为零，即：有机反应机理或：有机反应机理令:相应的久期行列式可简化成有机
8、反应机理对于环状共轭体系：有机反应机理丁二烯的丁二烯的HMO法处理法处理=c11+c22+c33+c44久期方程有机反应机理该久期方程有非零解的条件是系数行列式为零用MATLAB求解：利用sym吩咐在Matlab中创建符号矩阵 a=sym(x 1 0 0;1 x 1 0;0 1 x 1;0 0 1 x)按Enter键显示以下结果：a=x,1,0,0 1,x,1,0 0,1,x,1 0,0,1,x 有机反应机理利用det吩咐可绽开对应于该矩阵的行列式：按Enter键显示以下结果：ans=x4-3*x2+1 即对应的特征多项式为 det(a)有机反应机理用MATLAB解此特征多项式 p=1 0-3
9、 0 1;roots(p)ans=1.6180 -1.6180 0.6180 -0.6180有机反应机理由：得：所以：E1=+1.618E2=+0.618E3=-0.618E4=-1.618 有机反应机理 x=1.618 1 0 0;1 1.618 1 0;0 1 1.618 1;0 0 1 1.618x=1.6180 1.0000 0 0 1.0000 1.6180 1.0000 0 0 1.0000 1.6180 1.0000 0 0 1.0000 1.6180将特征值x=1.618代入系数矩阵有机反应机理利用 v,d=eig(x)吩咐，可求出特征向量 x=1.618 1 0 0;1 1.
10、618 1 0;0 1 1.618 1;0 0 1 1.618;v,d=eig(x)v=0.3717 -0.6015 -0.6015 0.3717 -0.6015 0.3717 -0.3717 0.6015 0.6015 0.3717 0.3717 0.6015 -0.3717 -0.6015 0.6015 0.3717有机反应机理分子轨道能级分子轨道波函数 E1=+1.618 1=0.3721+0.6022+0.6023+0.3724E2=+0.6182=0.6021+0.3722-0.3723-0.6024E3=-0.6183=0.6021-0.3722-0.3723+0.6024E4=-
11、1.6184=0.3721-0.6022+0.6023-0.3724为负值有机反应机理依据画分子轨道示意图 4=0.3721-0.6022+0.6023-0.3724 3=0.6021-0.3722-0.3723+0.6024 2=0.6021+0.3722-0.3723-0.6024 1=0.3721+0.6022+0.6023+0.3724有机反应机理有机反应机理8.2.1 芳香过渡态理论 芳香过渡态理论是由Zimmerman和Dewar提出的芳香过渡态理论各组分的基轨道构造轨道相互作用图(interaction diagram)有机反应机理依据轨道相互作用图来推断周环反应是热允许的(th
12、ermally allowed)或热禁阻的(thermally forbidden)准确地说，预料基态反应是活化能低的反应还是活化能高的反应有机反应机理构造轨道相互作用图的步骤(1)画出各组分参与反应的基轨道，相位(正负号)(2)可随意给定；例如，Diels-Alder反应，基轨道包括二烯组分的四个p轨道和亲二烯组分的两个p轨道，轨道间存在多种可能的相互作用方式，如下图。为便利，通常按图中(a)的方式给出正负号有机反应机理有机反应机理对于环丁烯的开环反应，参与反应的基轨道则包括环丁烯分子中双键的p轨道和反应中断裂的键轨道有机反应机理(2)将各组分的基轨道用连线连起来连接的方法可以有多种，例如，
13、对Diels-Alder反应两个组分的基轨道，可按以下任一种方式连接有机反应机理为便利，通常从一边连接，即实行图(a)或(d)所示的方式连接有机反应机理对于环丁烯的开环反应，可按下图所示的方式将p轨道和键轨道分别连起来有机反应机理(3)依据各组分相互作用的实际状况，将各组分间的基轨道连起来，构成一个环状体系例如，Diels-Alder反应中，二烯和亲二烯试剂两个组分都是同面组分，可按下图双箭头所示方式连接有机反应机理对于环丁烯的开环反应，连接方式应视其为顺旋开环还是对旋开环而定，前者可按下图(a)的方式连接，后者可按下图(b)的方式连接有机反应机理(4)依据(1)、(2)、(3)步画出的环状体
14、系，计算绕环状体系一周，基轨道符号变更的次数，称为变号数假如连线经过同一轨道的正、负两瓣，符号的变更不计入变号数内当变号数为偶数时，称为Hckel环；当变号数为奇数时，称为Mobius(或antiHckel)环有机反应机理Diels-Alder反应的变号数为2，属Hckel环有机反应机理环丁烯顺旋开环变号数为1，属Mobius环环丁烯对旋开环变号数为0，属Hckel环有机反应机理(5)依据变号数和环状过渡态所包含的电子数，推断反应是热允许的还是热禁阻的，推断的规则如下 有机反应机理Hckel环4n+2个电子为芳香过渡态，为对称性允许的反应4n个电子为反芳香过渡态，为对称性不允许的反应有机反应机
15、理Mbius环4n个电子为芳香过渡态，为对称性允许的反应4n+2个电子为反芳香过渡态，为对称性不允许的反应有机反应机理依据以上规则，Diels-Alder反应环状过渡态属Hckel环，6个电子符合4n+2规则，因而是热允许的反应有机反应机理环丁烯顺旋开环过渡态构成Mobius环，4个电子，也是热允许的反应有机反应机理环丁烯对旋开环过渡态构成Hckel环，4个电子，因而是热禁阻的反应热禁阻的反应在光照的条件下有可能进行有机反应机理己三烯闭环反应也有对旋和顺旋两种方式，轨道相互作用图分别如下图(a)和(b)所示，哪种闭环方式是热允许的反应？有机反应机理分析对旋闭环(图a)变号数为0，属Hckel环
16、，6个电子符合4n+2规则，因而是热允许的反应有机反应机理顺旋闭环(图b)变号数为1，属Mobius环，电子数为4n+2，因而是热禁阻的有机反应机理8.2.2 前线轨道理论 前线轨道理论认为反应中起重要作用的是前线轨道(最高占有轨道HOMO和最低空轨道LUMO)之间的相互作用依据前线轨道的对称性可推断周环反应是对称性允许的反应还是对称性禁阻的反应有机反应机理前线轨道理论最初是由Woodward和Hoffman提出的福井谦一等人的工作使前线轨道理论得到进一步发展有机反应机理与芳香过渡态理论不同，运用前线轨道理论分析周环反应时，必需首先考虑分子轨道，特殊是前线轨道的对称性以丁二烯和乙烯的环加成反应
17、为例，探讨如何用前线轨道理论判别周环反应是否为对称性允许的反应有机反应机理假设丁二烯和乙烯按下图所示的方式相互接近反应过程中存在的对称元素为平分乙烯双键和丁二烯C2-C3单键的垂直镜面丁二烯分子轨道和乙烯分子轨道相对于该对称面的对称性如下图所示有机反应机理乙烯与丁二烯环加成反应的轨道对称性有机反应机理前线轨道理论认为，反应中起重要作用的是HOMO轨道和LUMO轨道。由上图可以看出乙烯的HOMO轨道和丁二烯的LUMO轨道相对于对称面均为S，二者可产生稳定化相互作用乙烯的LUMO轨道与丁二烯的HOMO轨道相对于对称面均为A，二者也可产生稳定化相互作用结论：乙烯与丁二烯按上图所示的方式发生2+4环加
18、成反应是对称性允许的，与试验结果一样有机反应机理用前线轨道理论预料丁二烯与丁二烯按以下方式发生4+4环加成反应的轨道对称性有机反应机理分析轨道对称性有机反应机理由上图可见，一分子丁二烯的HOMO轨道与另一分子丁二烯的LUMO轨道对称性相反，因而是对称性不允许的反应有机反应机理前线轨道理论分析周环反应的简洁途径以丁二烯与乙烯的环加成反应为例，实际反应时，乙烯的两个PZ轨道将分别与丁二烯1，4碳上的PZ轨道结合成键，只需考虑乙烯的HOMO轨道与丁二烯的LUMO轨道；或乙烯的LUMO轨道与丁二烯的HOMO轨道相互结合的部分相位(正负号)是否相同即可 有机反应机理有机反应机理由上图可见，无论是：乙烯的
19、HOMO轨道与丁二烯的LUMO轨道；还是乙烯的LUMO轨道与丁二烯的HOMO轨道相互结合的部分相位均相同，因而是对称性允许的反应 有机反应机理对于电环反应等单分子反应，只需考虑HOMO轨道,用这种简洁的方法分析更为便利例如，丁二烯的闭环反应，顺旋可使相位相同的轨道瓣结合，对旋则导致相位相反的轨道瓣相互结合，因此顺旋是对称性允许的有机反应机理依据前线轨道理论，分析己三烯闭环反应的轨道对称性有机反应机理8.2.3 轨道相关法轨道相关法通过建立轨道相关图(correlation diagram)来分析周环反应中分子轨道的对称守恒建立轨道相关图包括以下几个步骤有机反应机理(1)列出反应物和产物中全部在
20、反应中发生变更的(2)分子轨道(2)选择对称元素，使在反应过程中各轨道相对于 该对称元素的对称性保持不变(3)相对于选出的对称元素，将各轨道分类为S或A有机反应机理(4)用连线(称作相关线)将反应物和产物对称性相同的轨道连起来。连接时，应避开对称性相同的轨道间的连线相交，因为对称性相同的轨道之间当其能量接近时会发生相互作用不相交规则有机反应机理假如反应物的全部成键轨道都能与产物的成键轨道相关联(对称性相同)，即反应物的全部成键电子都进入产物的成键轨道，则反应为对称性允许的或热允许的反应。否则即为对称性不允许的或热禁阻的反应有机反应机理轨道相关法分析周环反应的实例：丁二烯闭环丁二烯分子轨道的对称
21、性：有两个对称面和以及一个二重对称轴C2有机反应机理发生顺旋闭环时，只要两端的碳原子(C1和C4)起先旋转，两个对称面就不再存在，只有C2轴仍为对称轴，反应过程中各轨道相对于该轴的对称性保持不变有机反应机理丁二烯顺旋闭环的轨道相关图 有机反应机理由图可见丁二烯的1轨道最终转变成产物环丁烯的轨道2轨道最终转变成产物环丁烯分子的键轨道反应物的全部成键电子都进入产物的成键轨道，因而是对称性允许的反应有机反应机理在对旋闭环过程中，只要两端碳原子起先旋转，对称元素C2和就不再存在，只有对称面仍为对称元素，反应过程中各轨道相对于该对称面的对称性保持不变有机反应机理丁二烯对旋闭环的轨道相关图 有机反应机理为
22、了保持分子轨道对称守恒，反应物的成键轨道2必需与产物的反键轨道*相关联，即反应物有一对成键电子进入产物的反键轨道，因而对旋是对称性不允许的反应转到有机反应机理用轨道相关法分析乙烯与乙烯的2s+2s环加成反应参与反应的有两个组分，构建轨道相关图时，要依据两个组分的反应方式(同面的或异面的)选择对称元素，反应物的分子轨道也要用两个组分分子轨道的组合，轨道相关图如下图所示有机反应机理有机反应机理由图可见，反应物的两个轨道和两个*轨道重新组合后，成为1、2、3*和4*四个分子轨道反应过程中，反应物的成键轨道2与产物的反键轨道3*相关联，因而反应是对称性不允许的有机反应机理激发态的反应*对于基态条件下对
23、称性不允许的反应，即不能在加热的条件下进行的反应，假如在光照的条件下使分子中的一个电子跃迁到激发态，反应有可能是对称性允许的有机反应机理假如使反应物2轨道上的一个电子跃迁到3*轨道，则可以克服基态反应的能垒2电子 3*，所需能量可由3*电子2，所放出的能量来补偿例如2s+2s环加成反应反应物和产物相互关联的是能量相当的构型有机反应机理但是分析激发态的反应时必需特别谨慎，因为激发态的化学反应比起基态化学反应要困难得多构造电子构型相关图，才能较好地探讨激发态的反应有机反应机理电子构型相关的概念：依据轨道相关图来构造。对于2s+2s反应，反应物和产物各有四个分子轨道，四个电子在四个分子轨道上的不同分
24、布构成不同的电子态或电子构型将反应物和产物全部可能的电子构型按能量凹凸的依次列出就构成以下电子构型相关图有机反应机理SS=AA=S AS=SA=A 各电子构型的对称性按以下规则确定有机反应机理 2s+2s环加成的电子构型相关图 有机反应机理反应物第一激发态和产物第一激发态电子构型的对称性(AA)和电子所处轨道的对称性(SS)2(SA)(AS)均相同。因此，第一激发态的反应是对称性允许的反应物基态和产物基态电子构型的对称性也相同，均为SS，但电子所处轨道的对称性(SS)2(SA)2和(SS)2(AS)2 不同，因而基态反应是对称性不允许的 有机反应机理8.2.4 周环反应的普遍规则 芳香过渡态理
25、论，前线轨道理论和轨道相关法得出的结论基本都是一样的对于环加成反应，电环反应等周环反应，选择定则具有确定的规律有机反应机理例如，含4n个电子的多烯体系发生电环反应时，顺旋是对称性允许的而含4n+2个电子的多烯体系发生电环反应时，对旋是对称性允许的表明周环反应分子轨道对称守恒存在更一般的规律有机反应机理Woodward和Hoffmann比较了轨道相关法和芳香过渡态理论，总结出周环反应的普遍规则有机反应机理同面组分和异面组分的概念 周环反应的普遍规则是建立在同面组分和异面组分的概念基础上的有机反应机理同面组分(suprafacial component)是指在反应过程中，该组分两端的原子(或分子)
26、以同一侧的轨道与其它组分连结，用s表示例如，若该组分为体系，含2个电子，则记作 ，其余类推。以下组分假如按箭头所示位置与另一组分连接，都称为同面组分有机反应机理同面组分的例子 有机反应机理异面组分(antarafacial component)是指在反应过程中，该组分两端的原子或分子以两侧的轨道与其它组分连结，用a表示例如，若该组分为体系，含2个电子，则记作 ，余类推。以下组分假如按箭头所示位置与另一组分连接，都称为异面组分有机反应机理异面组分的例子 有机反应机理用同面组分和异面组分描述周环反应 有机反应机理周环反应的普遍规则 依据同面组分和异面组分的概念，周环反应的普遍规则可表述为一个周环反
27、应，假如4n+2同面组分和4n异面组分的总数为奇数，则为热允许的反应有机反应机理分析Diels-Alder反应的轨道对称性4n+2同面组分和4n异面组分的总数为奇数热允许的反应有机反应机理分析丁二烯开环反应的轨道对称性有机反应机理分析以下周环反应的轨道对称性有机反应机理分析：该反应为1,5-迁移重排，可描述为 4n+2同面组分为1，4n异面组分为0，总数为1，因而是热允许的反应有机反应机理比较以下两个化合物的热稳定性，说明理由有机反应机理分析以上两个化合物发生开环反应的轨道对称性有机反应机理分析：前一反应为环丁烯对旋开环，可记为 4n+2同面和4n异面组分总数为2，是热禁阻的反应有机反应机理反应假如按顺旋的方式开环，则是热允许的反应。但顺旋开环将导致产物中的一个双键为反式，对于7员环烯烃来说，立体化学上是不允许的因此，该反应的反应物虽然环张力很大，但却不简洁开环，是一个相对稳定的化合物有机反应机理后一反应为环己二烯对旋开环，可记为 4n+2同面组分和4n异面组分总数为，是热允许的反应，由此可以说明为什么该反应的反应物不如前一反应的反应物稳定