第十五章周环反应

1第十五章周环反应以前章节讨论的有机反应，就其反应机理而言大多是自由基型反应机理或离子型反应机理。它们涉及的活性中间体是自由基或带电离子。实际上，除了这两种类型的反应外，还存在着第三种类型的反应,这类反应无法用离子型机理或自由基型机理加以解释，而是通过由电子重新组织经过四或六电子中心环的过渡态而进行的,这种特殊类型的反应称之为协同反应。在化学反应过程中，凡是通过环状过渡状态进行的协同反应统称为周环反应(pericyclicreactions)。周环反应具有如下的特点：（1）反应过程中，化学键的断裂和形成是相互协调地同时发生于过渡状态结构中，为多中心的一步反应。（2）反应过程中没有自由基或离子这一类活性中间体。（3）反应不受溶剂的极性和酸、碱催化剂的影响，也不受自由基引发剂或抑制剂的影响。（4）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不同的立体选择性，是高度空间定向反应。周环反应在合成特定构型的环状化合物时很有用处，特别是对结构复杂的天然产物的合成更有重要意义。1965年美国著名化学家伍德沃德（R.B.Woodward）及量子化学家霍夫曼（R.Hoffmann）携手合作，在总结了大量有机合成经验规律的基础上，特别是在合成维生素B12的过程中，把分子轨道理论引入周环反应的反应机理的研究，运用前线轨道理论和能级相关理论来分析周环反应，提出了分子轨道对称性守恒原理。其基本观点是：化学反应是分子轨道进行重新组合的过程，在一个协同反应中，分子轨道的对称性是守恒的，即由原料到产物，轨道的对称性始终不变，因为只有这样，才能用最低的能量形成反应中的过渡态。因此分子轨道的对称性控制着整个反应的进程，而反应物总是倾向于保持其轨道对称性不变的方式发生反应，从而得到轨道对称性相同的产物。周环反应主要包括电环化反应（electrocyclicreactions）、环加成反应（cycloadditionreactions）和键迁移反应（sigmatropicreactions）。以下将对这三类反应分别加以讨论。在应用分子轨道对称性守恒原理分析周环反应时，有几种表达方式，如前线轨道法、轨道相关理论及芳香过渡态理论等，这些表达方式虽然在处理的形式上不同，但结论是一致的，其中前线轨道法较为简单而且形象，容易接受，书中主要介绍前线轨道法。2伍德沃德（RobertBurusWoodward1917一1979），1917年4月10日生于美国马萨路塞州的波士顿。1933年夏，16岁的伍德沃德考人美国著名大学麻省理工学院，三年后以出色的成绩获得了学士学位。而后，直接攻取博士学位，只用了一年的时间，学完了博士生的所有课程，通过论文答辩获博士学位。获博士学位以后，伍德沃德在哈佛大学执教。1950年被聘为教授。1963年，瑞士人集资，办了一所以伍德沃德的名字命名的化学研究所，并聘请他担任了第一任所长。伍德沃德是一个有着划时代成果的罕见的有机化学家，他在有机化学合成、结构分析、有机理论等多个领域都有独到的见解和杰出的贡献。他以极其精巧的技术，合成了许多极难合成的复杂有机化合物，如胆固醇、皮质酮、马钱子碱、利血平、叶绿素等，所以他被称为“现代有机合成之父”；伍德沃德还探明了金霉素、土霉素、河豚素等复杂有机物的结构与功能，探索了核酸与蛋自质的合成问题，发现了以他的名字命名的伍德沃德有机反应和伍德沃德有机试剂，独立地提出二茂铁的夹心结构。1965年，伍德沃德因在有机合成方面的杰出贡献而荣获诺贝尔化学奖。获奖后，他组织了14个国家的110位化学家，协同攻关，探索维生素B12的人工合成问题，历时11年，终于在他谢世前几年完成了复杂的维生素B12的合成工作。合成维生素B12过程中，伍德沃德还参照日本化学家福井谦一提出的“边界电子论”，和他的学生兼助手霍夫曼一起，提出了分子轨道对称守恒原理。伍德沃德去世2年后，霍夫曼和福井谦一因分子轨道理论的创立，共同获得了1981年诺贝尔化学奖。学术界认为，如果伍德沃德还健在的话，他必是获奖人之一。伍德沃德谦虚和善，对化学教育尽心竭力，他培养的学生，许多人成了化学界的知名人士。1979年6月8日，伍德沃德积劳成疾，与世长辞，终年62岁。他逝世以后，人们经常以各种方式悼念这位有机化学巨星。一、电环化反应在光或热的作用下，链状的共轭烯烃两端形成键并环合转变为环状烯烃，以及它的逆反应环状烯烃开环变成共轭烯烃的反应，称为电环化反应。例如：顺-1,3,5-己三烯在一定条件下很容易转变为1,3-环己二烯，这类异构化作用属于电环化反应：3热（或光照）顺-1,3,5-己三烯1,3-环己二烯电环化反应最显著的特点是具有高度的立体专一性。例如，在加热条件下，顺,反-2,4-己二烯只转变为顺-3,4-二甲基环丁烯。而在光照条件下它却转变为反-3,4-二甲基环丁烯：CH3HCH3HCH3HH3CHCH3HHCH3h顺，反-2,4-己二烯顺-3,4-二甲基环丁烯反-3,4-二甲基环丁烯电环化反应的立体专属性主要由两种因素所决定：（1）多烯烃中电子的数目；（2）反应条件是加热还是光照。电环化反应常用顺旋和对旋来描述不同的立体化学过程。顺旋(conrotatory)是指两个碳碳键键轴向同一个方向旋转，对旋(disrotatory)是指两个碳碳键键轴向相反方向旋转，其示意图如图15-1所示。C3C2C1C4C3C2C1C4C3C2C1C4顺旋对旋图15-1顺旋或对旋关环示意图4顺旋产物和对旋产物的立体选择性是不同的，例如，反、顺、反-辛-2,4,6-三烯的两个端链基团对旋时，得顺-二甲基环己二烯，而顺旋时，则得反-二甲基环己二烯：HHCH3CH3HHCH3CH3HCH3CH3HHHCH3CH3对旋顺旋反,顺,反-辛-2,4,6-三烯顺-5,6-二甲基环己-1,3-二烯反-5,6-二甲基环己-1,3-二烯将电环化反应的立体选择性进行归纳总结，可以得到如表15-1的选择规律：表15-1电环化反应的选择规则电子数热反应光反应顺旋对旋顺旋对旋4n允许禁阻禁阻允许4n+2禁阻允许允许禁阻应用此表需要注意的是：无论是链状共轭烯烃转变为环烯还是其逆反应--环烯转化为链状共轭烯烃，表中的电子数均指链状共轭烯烃的电子数。表中的允许是指对称性允许、其含义是反应按协同反应机理进行时活化能较低。禁阻是指对称性禁阻，仅指反应按协同反应机理进行时活化能很高，但并不排除反应按其它机理进行的可能性。例如，(E,Z,Z,E)-癸-2,4,6,8-四烯的热电环化反应，其电子数为8，为4n个电子参加的反应，以顺旋方式闭环，立体专一性地得到反-7,8-二甲基环辛-1,3,5-三烯:CH3CH3HHCH3CH3顺旋-10℃反,顺,顺,反-癸-2,4,6,8-四烯反-7,8-二甲基环辛-1,3,5-三烯（唯一产物）5又例如，反,反-2,4-己二烯的光电环化反应，其电子数为4，以对旋方式闭环，得到顺-3,4-二甲基环丁烯：HHCH3CH3h对旋反，反-2,4-己二烯顺-3,4-二甲基环丁烯CH3HH3CH电环化反应的选择规律可以用分子轨道对称性守恒原理从理论上加以证明。用前线轨道理论分析，可以清楚的理解热电环化反应和光电环化反应具有相反立体化学结果的事实。所谓前线轨道或叫前线分子轨道一般指分子中能量最高的电子占有轨道（HOMO,highestoccupiedmolecularorbital）和能量最低的电子未占有轨道（LUMO,lowestunoccupiedmolecularorbital）而言。因为这两个轨道处在相互作用的两个分子的前线地位,所以被称为前线轨道。前线轨道理论认为，发生化学反应时，最高占据轨道（HOMO）和最低空轨道（LUMO）这两个前线轨道对成键起到主导作用。正如原子在反应过程中起关键作用的是能量最高的价电子一样，分子中处于能量最高占有轨道的电子能量最高，最活泼，被束缚得最不牢固，最容易推动反应的进行,常常是对反应的进程起决定作用的。因此考虑轨道的对称性，关键问题是前线轨道的对称性质。由于电环化反应是只涉及到一个分子的单分子反应，因此只需要分析底物分子的HOMO轨道即可。基态电子分布激发态电子分布E6图15-21,3-丁二烯的分子轨道图15-2所示为1,3-丁二烯的分子轨道。图中表明，它有4个分子轨道和4个电子,属于4n体系,在基态时,4个电子占有和分子轨道，其中是能量最高的电子占有轨道（HOMO），即前线轨道，对反应起决定作用。（一个节面）（无节面）++++----共轭二烯体系的对称性性质顺旋：成键对旋：反键HOMOHOMO++++----图15-31,3-丁二烯热环化成环丁烯在热电环化反应情况下，对于共轭二烯体系，电子数为4n的体系（如共轭丁二烯体系）来说，如图15-3所示，从前线轨道的对称性可知，轨道有一个结，要使关环时发生两个P轨道符号相同的半叶互相重叠，只能通过体系末端碳原子的顺旋运动关环方式，才能发生成键作用。而进行对旋运动，它们的作用是反键的，不能发生成键作用，与实验结果相符。由此很好地说明了丁二烯体系化合物热电环化反应，顺旋是允许的，对旋是禁阻的原因。在其它的4n体系中，存在着类似的HOMO轨道的对称性性质，所以在这些体系中，所有热电环化反应都遵循电环化选择规则：顺旋允许，对旋禁阻。但对于光照电环化反应，情况则发生了变化。例如同样以4n电子体系共轭二烯为例，丁二烯吸收了光以后，其分子轨道转变成图15-4所示的激发态，其中有一个电子从跃迁至，此时最高占有轨道是，它是涉及反应7时电子转移的前线轨道。在中，末端碳p轨道的相对对称性与中的相反，结果对旋运动是允许的，而顺旋运动是禁阻的。因此光照电环化反应的立体化学也正好与热电环化反应相反。基态激发态共轭二烯的HOMO对旋：成键顺旋：反键HOMOHOMO图15-41,3-丁二烯光环化反应生成环丁烯对于电子数为4n+2的共轭烯烃的电环化反应，以1,3,5-己三烯共轭体系为例，其分子轨道如图15-5所示，该体系的热电环化反应是由基态的HOMO前线轨道所控制的，而其光电环化反应则是由第一激发态的HOMO前线轨道所控制的。用前线轨道理论,不难得出对于电子数为4n+2的共轭烯烃，其热电环化反应对旋是允许的，顺旋是禁阻的；而其光电环化反应顺旋是允许的，对旋是禁阻的。基态电子分布第一激发态电子分布E成键反键8图15-51,3,5-己三烯的分子轨道按照量子化学分子轨道理论，当共轭多烯烃中电子的数目增加时，基态HOMO两个末端碳原子的相对对称性有规则地进行变换，而第一激发态的HOMO中的对称性，常常与基态中的相反。所以，所有属于4n体系的共轭多烯在基态的HOMO都有相同的对称性，加热时都必须采取顺旋关环的方式，同样，它们在激发态时的HOMO也都有相同的对称性，所以光照时，都必须采取对旋关环的方式。属于4n+2体系的共轭多烯，加热时都必须对旋关环，光照时必须顺旋关环。电环化反应是可逆反应，正反应和逆反应经过的途径是一致的，关环时采取的旋转方式在开环时也适用。例如顺-3,4-二甲基环丁烯的开环反应也必然是加热顺旋开环，光照对旋开环：HHCH3CH3hHCH3H3CHHCH3H3CH甲基向外对旋300℃CH3HCH3HHHCH3CH3+99.995％0.005％只得到一种产物以上，对表15-1中的规律应用前线轨道理论做了说明。用轨道能级相关理论和芳香过渡态理论将得出同样的结论。电环化反应实例：(Z,E)-2,4-己二烯加热电环化时，顺旋得顺-3,4-二甲基环丁烯。而(E,E)-2,4-己二烯在同样条件下则得反-3,4-二甲基环丁烯。HHCH3CH3175℃CH3HCH3H175℃CH3CH3CH3CH3顺旋顺旋9(E,Z,E)-辛-2,4,6-三烯，在加热电环化时，对旋而得顺-5,6-二甲基环己-1,3-二烯，光作用则得顺旋产物反-5,6-二甲基环己