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1、会计学1有机有机(yuj)反应机理二反应机理二第一页，共95页。前一机理(j l)为协同机理(j l)，后一机理(j l)为分步的双自由基机理(j l)周环反应机理研究的一个重要内容(nirng)就是如何区分协同机理和分步机理第1页/共95页第二页，共95页。区分协同机理(j l)和分步机理(j l)的方法活化体积(tj)的测定(见2.6.3节)动力学同位素效应(xioyng)的测定(4.1节)用电子自旋共振检测自由基中间体(6.2节)研究反应的立体化学第2页/共95页第三页，共95页。如果反应按协同机理进行，由于分子(fnz)轨道对称守恒的要求，反应往往具有高度的立体选择性本节根据周环反应的
2、普遍规则，讨论(toln)环加成反应，电环反应和-迁移重排反应的机理和立体化学第3页/共95页第四页，共95页。8.3.1 8.3.1 环加成反应环加成反应环加成反应环加成反应(ji chn(ji chn f f n ynn yn)(1)2+2环加成反应(ji chn fn yn)乙烯及其衍生物之间通过2+2环加成形成环丁烷及其衍生物的反应通常难以(nny)进行第4页/共95页第五页，共95页。如果反应按同面-同面 方式(fngsh)进行是对称性不允许的如果(rgu)反应按同面-异面 的方式进行，轨道之间空间上又难以接近如果烯烃双键上基团的位阻非常小，也可发生协同(xitng)方式的 环加成，
3、即一个组分以异面的方式参与反应第5页/共95页第六页，共95页。烯酮衍生物R1R2C=C=O分子中的一个双键碳原子以sp杂化与氧相连，位阻小，是一个理想的异面组分，与烯烃(xtng)加成生成环丁酮衍生物反应生成烯烃碳原子构型保持的产物(chnw)，表明反应为协同反应第6页/共95页第七页，共95页。二苯基烯酮与取代(qdi)苯乙烯加成生成环丁酮衍生物S=84Jmol-1K-10.73反应无明显的溶剂(rngj)效应协同(xitng)机理？分步机理？第7页/共95页第八页，共95页。(2)2+4(2)2+4环加成反应环加成反应环加成反应环加成反应(ji chn(ji chn f f n ynn
4、yn)2+4环加成反应中最著名(zhmng)就是Diels-Alder反应以同面方式进行(jnxng)的2+4环加成反应是基态允许的反应，生成稳定的环己烯衍生物，反应可以在温和的条件下进行(jnxng)第8页/共95页第九页，共95页。数以千计的Diels-Alder反应的结果表明，反应具有高度的立体选择性，得到二烯和亲二烯试剂(shj)碳原子构型保持的产物说明在绝大多数场合，反应是按协同机理(j l)进行的第9页/共95页第十页，共95页。第10页/共95页第十一页，共95页。环状二烯与亲二烯试剂(shj)加成时，生成两种立体异构的产物第11页/共95页第十二页，共95页。亲二烯试剂上的取代
5、(qdi)基与环己烯分子中新生成的碳-碳双键互为顺式，称为内型(endo)产物亲二烯试剂上的取代基与环己烯分子中新生成(shn chn)的碳-碳双键互为反式，称为外型(exo)产物第12页/共95页第十三页，共95页。内型规则内型规则内型规则内型规则(guz)(endo rule)(guz)(endo rule)(guz)(endo rule)(guz)(endo rule)当环状二烯与含不饱和基团的环状亲二烯试剂反应时，产物往往(wngwng)以内型为主例如，以上(yshng)反应内型产物占绝对优势，外型产物的比例1.5%第13页/共95页第十四页，共95页。环二烯与开链的亲二烯试剂反应时，
6、则不一定遵守(znshu)内型规则例如(lr)环戊二烯与2-取代丙烯酸的加成反应第14页/共95页第十五页，共95页。X产物比例/%endoexoH7525CH33565C2H50100Br3068第15页/共95页第十六页，共95页。Woodward和Hoffmann认为，内型规则可以用前线(qinxin)轨道理论解释Diels-Alder反应(fnyng)中，二烯组分通常有供电基，亲二烯试剂通常含吸电基过渡态二烯的HOMO轨道(gudo)与亲二烯试剂的LUMO轨道(gudo)作用比较合理第16页/共95页第十七页，共95页。按内型规则(guz)反应，过渡态二烯组分HOMO轨道与亲二烯试剂L
7、UMO轨道的作用如下图所示第17页/共95页第十八页，共95页。按形成外型产物的方式(fngsh)反应，过渡态二烯组分的HOMO与亲二烯试剂的LUMO轨道的作用如图所示第18页/共95页第十九页，共95页。次级轨道次级轨道次级轨道次级轨道(gudo)(gudo)(gudo)(gudo)相互作用解释内型规则相互作用解释内型规则相互作用解释内型规则相互作用解释内型规则 第19页/共95页第二十页，共95页。在上图a中，除了正常的轨道相互作用外，亲二烯试剂分子中不饱和基团的p轨道与二烯的HOMO轨道之间还可以(ky)发生“次级轨道相互作用”(secondary orbital interaction
8、)，降低过渡态的能量正是因为(yn wi)这种次级轨道相互作用才导致含不饱和基团的亲二烯试剂与环二烯加成时服从内型规则第20页/共95页第二十一页，共95页。对于某些Diels-Alder反应(fnyng)，实验测定的活化体积V比反应(fnyng)的体积变化V0还要负这是过渡态存在次级轨道(gudo)相互作用的实验证据(2.6.3节)第21页/共95页第二十二页，共95页。1,2-1,2-和和和和1,4-1,4-位取向位取向位取向位取向(q(q xin xin)Diels-Alder反应的另一立体化学(l t hu xu)特征含有取代基的二烯组分(zfn)与亲二烯试剂反应时，通常生成取代基互为
9、1,2-位或互为1,4-位的产物第22页/共95页第二十三页，共95页。反应温度R1R2R产物比例/%1,2-1,3-20NH2HC2H5100020CH3HCH3955220CO2NaHNa5050为什么当R1为羧酸(su sun)盐时1,3-位产物比例增加?第23页/共95页第二十四页，共95页。反应温度R1产物比例/%1,4-1,3-160OC2H51000150C6H5821895CN1000第24页/共95页第二十五页，共95页。这一位置(wi zhi)选择性可用前线轨道的轨道系数解释第25页/共95页第二十六页，共95页。1,2-位取向(q xin)1,4-位取向(q xin)第2
10、6页/共95页第二十七页，共95页。二烯与亲二烯试剂反应(fnyng)时，轨道系数大的原子倾向于与轨道系数大的原子结合。因而主要生成1,2-和1,4-位产物第27页/共95页第二十八页，共95页。1 1,3-3-偶极环加成偶极环加成偶极环加成偶极环加成 1,3-偶极环加成是具有偶极特征的三原子四电子体系与烯烃的加成，是一类重要(zhngyo)的2+4环加成反应，在合成中有广泛的应用例如，由硝基烯与亲二烯试剂加成可合成氮羧酸酯，氮羧酸酯又可作为四电子三中心体系与亲二烯试剂发生(fshng)环加成，生成双环化合物第28页/共95页第二十九页，共95页。第29页/共95页第三十页，共95页。解释以下
11、解释以下解释以下解释以下(y(y xi)xi)反应的机理反应的机理反应的机理反应的机理第30页/共95页第三十一页，共95页。烯烃(xtng)的臭氧分解实际上也是通过1,3-偶极环加成反应和逆-1,3-偶极环加成反应进行的反应(fnyng)过程可表示如下第31页/共95页第三十二页，共95页。第32页/共95页第三十三页，共95页。8.3.2 8.3.2 电环反应电环反应电环反应电环反应(f(f nyng)nyng)电环反应包括电环闭环和电环开环，二者互为逆反应，可用以下(yxi)反应通式表示式中n表示(biosh)体系的碳原子数第33页/共95页第三十四页，共95页。电环反应的平衡偏向(pi
12、nxing)于哪一方取决于反应物和产物的结构和相对稳定性例如，己三烯(n=4)闭环生成(shn chn)稳定的环己二烯，平衡偏向于闭环一方第34页/共95页第三十五页，共95页。而丁二烯闭环生成(shn chn)张力大的环丁烯，平衡偏向于开环一方第35页/共95页第三十六页，共95页。(1)(1)环丙体系环丙体系环丙体系环丙体系(t(t x)x)的开环的开环的开环的开环 环丙基正离子、负离子和自由基开环的轨道相关(xinggun)图如下图所示第36页/共95页第三十七页，共95页。讨论(toln)环丙基正、负离子开环的方式第37页/共95页第三十八页，共95页。由图可见(kjin)，对于环丙基
13、正离子，对旋开环是对称性允许的反应对于环丙基负离子，顺旋开环为对称性允许(ynx)的反应对于(duy)环丙基自由基的开环，由轨道相关图不能作出明确结论第38页/共95页第三十九页，共95页。环丙体系环张力大，经由环丙基正离子的反应很容易通过(tnggu)电环开环生成烯丙基正离子对旋？顺旋？第39页/共95页第四十页，共95页。氮杂环丙烷氮杂环丙烷氮杂环丙烷氮杂环丙烷(bn wn)(bn wn)(bn wn)(bn wn)的开环的开环的开环的开环 以下氮杂环丙烷衍生物在100下开环，产生的中间体与2-丁炔二酸二酯发生1,3-偶极环加成，立体专一的生成(shn chn)五元氮杂环衍生物第40页/共
14、95页第四十一页，共95页。顺旋？对旋？为什么？第41页/共95页第四十二页，共95页。氮杂环丙烷由于氮原子(yunz)上有孤电子对与环丙基负离子具有等电子结构，因此按顺旋方式开环第42页/共95页第四十三页，共95页。(2)(2)环丁烯的开环环丁烯的开环环丁烯的开环环丁烯的开环 由于(yuy)环张力的存在，环丁烯的开环也是热力学上有利的反应(G0 0)根据(gnj)周环反应的普通规则，环丁烯顺旋开环可表示为 ,是对称性允许的反应对旋开环可表示(biosh)为 ，对称性不允许第43页/共95页第四十四页，共95页。第44页/共95页第四十五页，共95页。顺旋?对旋？例如(lr)，顺-3,4-二
15、甲基环丁烯开环生成E,Z-2,4-己二烯第45页/共95页第四十六页，共95页。而反-3,4-二甲基环丁烯开环生成(shn chn)E,E-2,4-己二烯第46页/共95页第四十七页，共95页。丁二烯衍生物9在加热的条件下可转变成异构体10，但是(dnsh)，即使将9在124加热51天，也不能检测到异构体11和12，为什么？第47页/共95页第四十八页，共95页。分析分析分析分析(fnx)(fnx)反应可能按以下(yxi)电环闭环和电环开环的途径进行第48页/共95页第四十九页，共95页。单环环(hun hun)丁烯衍生物容易开环，而二环3.2.0庚-6-烯在260下仍能稳定存在，为什么？第4
16、9页/共95页第五十页，共95页。分析分析分析分析(fnx)(fnx)因为对称性允许的顺旋开环会导致(dozh)生成含有反式双键的环烯烃，立体化学上不利，而对旋开环又是对称性不允许的第50页/共95页第五十一页，共95页。(3)(3)戊二烯体系戊二烯体系戊二烯体系戊二烯体系(t(t x)x)的闭环的闭环的闭环的闭环 戊二烯基正离子和负离子很容易闭环形成稳定(wndng)的五元环产物例如，戊二烯醇17a和17b在强酸中质子化脱羟基形成戊二烯正离子，后者立体专一(zhuny)地闭环形成五元环产物第51页/共95页第五十二页，共95页。顺旋?对旋？第52页/共95页第五十三页，共95页。戊二烯基负离
17、子18闭环生成(shn chn)顺式稠合的桥环化合物顺旋?对旋？第53页/共95页第五十四页，共95页。根据(gnj)分子轨道对称守恒原理，戊二烯基正离子的闭环应按顺旋方式进行，戊二烯基负离子的闭环应按对旋方式进行实验结果(ji gu)与理论预测的一致第54页/共95页第五十五页，共95页。(4)(4)形成六元及六元以上形成六元及六元以上形成六元及六元以上形成六元及六元以上(y(y shng)shng)环的闭环反应环的闭环反应环的闭环反应环的闭环反应根据周环反应的普遍规则(guz)，己三烯对旋闭环可表示为 ，是对称性允许的反应顺旋闭环则为 ，对称性不允许(ynx)第55页/共95页第五十六页，
18、共95页。第56页/共95页第五十七页，共95页。E,Z,E-辛-2,4,6-三烯(19)在130发生闭环反应(fnyng)，生成顺-5,6-二甲基-环己-1,3-二烯(20)对旋？顺旋？第57页/共95页第五十八页，共95页。解释以下(yxi)反应：第58页/共95页第五十九页，共95页。分析分析分析分析(fnx)(fnx)反应(fnyng)由辛四烯的顺旋闭环和产物环辛三烯的对旋闭环两步构成第59页/共95页第六十页，共95页。8.3.3 8.3.3 -迁移迁移迁移迁移(qiny)(qiny)重排重排重排重排 常见(chn jin)的迁移重排有1，n迁移，3，3迁移，5，5迁移等对于1，n迁
19、移(qiny)来说，当n为奇数时，涉及的是中性分子的迁移(qiny)重排，例如1，3迁移(qiny)，1，5迁移(qiny)，1，7迁移(qiny)等当n为偶数时，则为正、负离子的迁移重排，例如碳正离子的1，2迁移重排第60页/共95页第六十一页，共95页。1，n-迁移(qiny)重排实际上是键沿体系的迁移(qiny)根据同面、异面的概念，有四种可能的迁移(qiny)方式迁移基团(j tun)R的立体化学与迁移方式有关，可能是保持的，也可能是转化的第61页/共95页第六十二页，共95页。第62页/共95页第六十三页，共95页。(1)1,3(1)1,3 迁移迁移迁移迁移(qiny)(qiny)对
20、于1,3氢迁移，氢以s轨道成键，组分只能以同面方式迁移，只有(zhyu)两种可能的迁移方式第63页/共95页第六十四页，共95页。其中第一种迁移方式(fngsh)是对称性禁阻的第二种迁移方式是对称性允许的，但要求氢从体系的一面迁移到另一面，空间(kngjin)上无法接近因此，氢的1，3-迁移(qiny)很难发生第64页/共95页第六十五页，共95页。实验结果与理论预测的一致。通常情况下，烯烃的双键在500以下(yxi)是不会发生1，3迁移的例如，乙酸酯28热解产物29是甲苯的同分异构体，但即使在350的高温反应条件下，29也能够(nnggu)稳定存在，不会经1,3氢迁移转变成稳定的甲苯分子，充
21、分说明了1，3氢迁移难以发生第65页/共95页第六十六页，共95页。第66页/共95页第六十七页，共95页。1,3-碳迁移反应四种(s zhn)可能方式中，以下两种方式是对称性允许的第67页/共95页第六十八页，共95页。第一种方式要求迁移(qiny)基团R以构型保持的方式从体系的一面迁移(qiny)到另一面，立体化学上非常不利第二种方式要求迁移基团R以构型转化的方式在体系之内进行同面迁移，是1，3碳迁移唯一可行(kxng)的方式。实验结果与此推测一致第68页/共95页第六十九页，共95页。开链烃的烷基很少发生(fshng)1，3迁移在一些(yxi)张力较大的环状体系中，如果迁移可以缓解环的张
22、力，常发生1，3-碳迁移反应，在这些反应中，迁移基团大多是构型转化的第69页/共95页第七十页，共95页。1,3-烷基(wn j)迁移的实例1第70页/共95页第七十一页，共95页。1,3-烷基(wn j)迁移的实例2第71页/共95页第七十二页，共95页。(2)1,5-(2)1,5-迁移迁移迁移迁移(qiny)(qiny)与1,3-氢迁移(qiny)不同，同面的1,5-氢迁移(qiny)是对称性允许的反应对称性允许(ynx)的1,5-氢迁移第72页/共95页第七十三页，共95页。以上1,5-氢迁移(qiny)反应的动力是什么？因此(ync)，1,5-氢迁移反应是常见反应，含有戊二烯体系的分子
23、可通过1，5-氢迁移转变成更稳定异构体 第73页/共95页第七十四页，共95页。同面-同面的1，5-碳迁移(qiny)也是对称性允许的反应与1,3碳迁移不同，1,5碳迁移反应(fnyng)中，迁移基团R的构型是保持的第74页/共95页第七十五页，共95页。研究环戊二烯衍生物和茚衍生物中基团发生1,5 迁移重排反应的倾向发现，羰基和羧基(su j)最容易发生迁移，其次为氢例如，茚的酰基衍生物36在140下发生迁移重排，生成(shn chn)更稳定的,-不饱和酮衍生物37第75页/共95页第七十六页，共95页。1,5酰基迁移(qiny)和1,5氢迁移(qiny)机理(j l)？第76页/共95页第
24、七十七页，共95页。(3)1,7(3)1,7氢氢氢氢-迁移迁移迁移迁移(qiny)(qiny)同1,3氢迁移类似，同面的1,7氢迁移也是对称性禁阻的，只有氢从体系(tx)的一面迁移到另一面的异面迁移才是对称性允许的第77页/共95页第七十八页，共95页。第78页/共95页第七十九页，共95页。与1,3氢迁移不同，在1,7氢迁移的情况下，分子碳链足够长，氢从体系(tx)的一面迁移到另一面的异面迁移立体化学上是允许的因此，1,7氢迁移是常见的氢迁移反应。例如，在生物体内，维生素D3的前体40转变成维生素D3(41)的反应被认为(rnwi)是按1,7氢迁移的机理进行的第79页/共95页第八十页，共9
25、5页。第80页/共95页第八十一页，共95页。(4)3,3(4)3,3迁移迁移迁移迁移(qiny)(qiny)3,3-迁移重排是一类(y li)常见的重排反应，其中典型的反应有Cope重排和Claisen重排第81页/共95页第八十二页，共95页。根据周环反应的普遍规则，3,3迁移可以通过两种不同的对称性允许的方式进行，分别(fnbi)经由类椅式过渡态和类船式过渡态第82页/共95页第八十三页，共95页。研究Cope重排的立体化学发现，反应(fnyng)按类椅式过渡态进行高度的立体选择性也表明反应是按协同机理(j l)进行的第83页/共95页第八十四页，共95页。烯丙基乙烯基醚通过(tnggu
26、)3，3迁移重排成,-不饱和酮的反应称作Claisen重排反应，可在温和条件下进行第84页/共95页第八十五页，共95页。烯丙基苯基(bn j)醚的3,3迁移也是常见的Claisen重排初始产物环己二烯酮在酸或碱的催化下异构化为苯酚(bn fn)衍生物，苯酚(bn fn)本身的酸性足以催化这类异构化反应第85页/共95页第八十六页，共95页。反应中，烯丙基迁移(qiny)至邻位，称作邻位Claisen重排有时烯丙基也可迁移(qiny)至苯环对位，特别是当邻位已有取代基时，例如第86页/共95页第八十七页，共95页。为了(wi le)与邻位Claisen重排相区别，称这类反应为对位Claisen
27、重排邻位Claisen重排反应中，烯丙基发生重排，在对位(du wi)Claisen重排反应中，得到的是烯丙基未重排的产物第87页/共95页第八十八页，共95页。研究(ynji)发现，对位Claisen重排实际上是经由邻位Claisen重排和Cope重排两步反应完成的反应中烯丙基经过两次重排，因而(yn r)得到烯丙基未重排的产物第88页/共95页第八十九页，共95页。第89页/共95页第九十页，共95页。这一机理(j l)得到若干实验事实的支持。例如，在46的重排反应中加入顺丁烯二酸酐，可以捕获第一步邻位Claisen重排的中间体第90页/共95页第九十一页，共95页。习题习题习题习题(xt
28、)10(xt)101.all-cis-1,3,5,7-Cyclononatetraene can theoretically undergo three different electrocyclic ring closures.Draw the product of each of these reactions,determinethe stereochemistry of each when it is obtained under thermal conditions,and order the products by thermodynamic stability.第91页/共95页
29、第九十二页，共95页。2.When ketenes react with 1,3-dienes,bicyclic cyclobutanones are obtained.The mechanism of this reaction is usually described as a one-step 2+2 cycloaddition reaction,but the following two-step mechanism was recently proposed第92页/共95页第九十三页，共95页。(a)Name the two steps of the proposed mechan
30、ism.(b)When an unsymmetrically substituted ketene(RL)(RS)C=C=O)is used in this reaction,the larger group(RL)is found in the more sterically hindered endo position in the ultimate product，as shown here.Use the proposed mechanism to explain(in words and pictures)this phenomenon.You will need to look at the stereochemical result of both steps of the mechanism.第93页/共95页第九十四页，共95页。第94页/共95页第九十五页，共95页。