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第十四章 周环反应

2

第十四章 周环反应（一） 周环反应 （ 1 ）电环化反应 （ 2 ）环加成反应 （ 3 ） σ 移位反应

（二） 周环反应的理论及其应用 （ 1 ）前线轨道理论及其应用举例 （ 2 ）能级相关理论及其应用举例 （ 3 ）芳香性过渡态理论及其应用举例 在此主要讲前线轨道理论及其应用。

3

周环反应：不经过活性中间体，只经过环状

过渡态的一类协同反应 (Concerted reaction) 。

协同反应：新键的形成与旧键的断裂是协同进行的一步反应。例如： Diels-Alder 反应、SN2 反应。

例如 Diels-Alder 反应：

电环化反应：

4

三类有机反应主要区别 类型 中间体 与溶剂关系

离子反应 正、负离子 极性溶剂有利

自由基反应 自由基 关系小，气相允许

协同反应 无 关系小，气相允许

5

说明：除以上表格列出的区别外，催化剂对三类反应的影响各不相同。离子型反应对酸碱催化剂比较敏感，而自由基反应对自由基引发剂和自由基阻聚剂比较敏感，而酸碱催化剂、自由基引发剂和自由基阻聚剂对协同反应都几乎没有影响。

6

协同反应具有高度立体专一性，用于合成特定结构碳骨架。

¦Íh

¶ÔÐý HH

O

O

O

HH

O OO

HH

¦Íh

O OO

Na2CO3

Ë®ÈÜÒº

Pb(OAc)4

篮烯（ basketene ）

7

（一）周环反应

（ 1 ）电环化反应 ( 甲 )4n 个 π 电子体系

H

CH3

H

CH3

¦Íh

HH

CH3CH3

¡÷

H

CH3H

CH3

¦Íh ¡÷

H

H CH3

CH3

H

CH3H

CH3

H

CH3

H

CH3

(E,E)-2,4-hexadiene

(Z,E)-2,4-hexadiene

8

¡÷

80¡æ

H

H

hv

H

H

H

H

9

( 乙 )4n+2 个 π 电子体系

(Z,Z,E)-2,4,6-octatriene

(E,Z,E)-2,4,6

-octatriene

¡÷

CH3

HCH3

H

CH3H

H

CH3

CH3

H

CH3

H

CH3

CH3HH

¡÷

CH3

H

CH3

H¦Íh

¦Íh

CH3

HCH3

H

H3C CH3

10

H

H

¡÷

H

H

¡Á¡÷

H

H

¡÷ HH

¡÷H

H

H

H

11

关环方式体系

顺旋关环 对旋关环

4n 允许 禁阻4n+2 禁阻 允许

12

（ 2 ）环加成反应 CH2 CH2 R2C:

R R

CH2 CH2 CH2 CH2

[2+1] 环加成：

[2+2] 环加成：

[4+1] 环加成：CH2 CH CH CH2 SO2 SO2

CH2 N NCHCO2Me

CHCO2MeN

N

CO2Me

CO2Me

1,3- 偶极加成：

[4+2] 环加成：CH2 CH CH CH2 CH2 CH2

13

新键的生成在反应体系的同面叫同面环加成（ suprafacial cycloaddition)

C C

H

CH3

H

H3C

C C

H

CH3

H

H3C

¦Íh

¦Ðs2 2¦Ðs

CH3 CH3CH3CH3

C C

H3C

H

CH3

H

C C

H

CH3

H

H3C

CH3 CH3

CH3CH3

¦Ðs2 2¦Ðs

¦Íh

一般环加成为同面环加成

14

新键的生成在反应体系的异面叫异面环加成（ antarafacial cycloaddition)

烯酮的热环加成为异面环加成，

而以下讲的环加成都是同面加成

2¡÷ O

H2C

O

CH2 C O

O

O

CH3H3C

¡÷CH2 C OC OH3C

H3C

CH CH2R' CH2 C O ¡÷

O

R'

R

15

（甲） [2+2] 环加成反应

¦Íh

Ph

COOH

Ph

COOH

¦ÍhPh

COOH

Ph

COOH

COOH

Ph

16

2+2（4n）体系的环加成反应只有在光照条件下易于发生，而在加热条件下难于发生。

17

（乙） [4+2] 环加成反应即 Diels-Alder 反应

X

Y

X

Y

k1k2

双烯体 亲双烯体 加合物

4+2体系的环加成在加热条件下易于进行，在光照条件下难于进行。

18

（ a ） Diels-Alder 反应是可逆反应

正反应二级；逆反应一级

υ=k1[ 双烯体 ][ 亲双烯体 ]

υ 逆 =k2[ 加合物 ]

19

PhCHO

PhCH O

PhCHO

（ b ） Diels-Alder 反应的定向作用

H3C

CH OCHO

CH3 H3C

CHO

CHO+

CHO+

20

（ c ）双烯体活性

对双烯体系而言，生成 S- 顺式构象是 Diels-Alder 反应先决条件，例如下列二烯烃都不能进行 Diels-Alder 反应。

21

顺 -1- 取代双烯体 s- 顺式不稳定，活性低；

反 -1- 取代双烯体和 2- 取代双烯体活性高。

所有能稳定 S-顺构象的因素都能加速反应，反之则对反应不利。

22

PhPh

反应速度 ≈ 1000 ： 1

反应速度 =1000 ： 1

CH3

HH

H

CH3

CH3H

H

反 -1,3- 戊二烯 4- 甲基 -1,3- 戊二烯

23

C(CH3)3 C(CH3)3

反应速度 = 0.05 ： 1

(CH3)3C

HH

H

(CH3)3C

HH

H

反应速度 = 27 ： 1

(CH3)3C

(CH3)3C

(CH3)3C

C(CH3)3

24

（ d ） Diels-Alder 反应的活性

影响因素主要有两方面：立体因素和电子因素。

立体因素：一切有利于 S- 顺构象稳定的因素都有利于反应的活性的提高，反之活性下降。

电子因素：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。对亲双烯体而言（苯醌＞顺酐＞硝基烯 ＞ α,β- 不饱和酯（酮、腈）

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。

25

Cl ClClCl

Cl Cl

Cl

ClCl

Cl

Cl

Cl

O

O

O

O

+ 2

26

（ e ） Diels-Alder 反应的立体化学

˳¶¡ Ï©¶þËáõ¥

·´ ¶¡ Ï©¶þËáõ¥ COOR

COOR

COORCOOR

顺式加成规则： ( 实质是同面 -- 同面加成）

COOR

COOR

COOR

ROOC

27

C

CH2

H CO2Me

COOR

HCOOR

H76% 24%

内向加成（ endoaddition) 规则：

O

O

OO

O

O

O

O

O

内向产物为主

28

反应条件体系

加热( ) 光照(hv)

4n 禁阻 允许4n+2 允许 禁阻

29

（ f ） Diels-Alder 反应的应用

O

CCl3

O

CCl3

150¡æ

O

O

O

O

+CHO

CHO

HOCH2CH2CH2OH

HCl

CHO

30

（一般了解）

（丙） [3+2] 环加成（ 1,3- 偶极环加成）

R CH N OHCl2HCl

R C N OHCl HCl

NEt3 R C N O+ -

ëæÑõ»¯Îï

NEt3HCl

R C N NHR'

Cl

-+R C N NR'

ëæÑÇ°·

H2OR NH OH

CH2OHRNH OH

HCHO

H+

H+++

R N OCH2

-

N Ñõ»¯È©ÑÇ°·

常见 1,3- 偶极体

31

Ph C N NPh-+

·´ ¶¡ Ï©¶þËáõ¥

˳¶¡ Ï©¶þËáõ¥

Ph C N NHPh

ClHCl

NEt3 + -Ph C N NPh

N

N

PhPh

ROOC COOR

HH

N

N

PhPh

ROOC H

COORH

1,3- 偶极环加成与 Diels-Alder 反应类似 ,具有高度立体选择性。

32

+-Ph

C N N

H

C CH H

COOMeMeOOC

N

N

MeOOC COOMe

HHH

PhN

N

MeOOC COOMe

HHPh

H

对于某些 1,3- 偶极分子，当顺式加成按不同方向时，生成两种异构体。

33

1,3- 偶极环加成通常用于制备杂环化合物。-+NEt3

HClPh C N CH2

Cl

NO2 Ph C N CH NO2

O

CH

N

Ph

Ph

H

NO2PhCH O

H2C CH

COOEt

- +H2C N N N

N

H2C

CO2Et

34

Ph N N N- +

EtO2CC CCO2Et ¡÷

C6H6N

N

N

EtOOC COOEt

Ph

Ph C N O+ -

CH2 CHPh

O

N

Ph

Ph

35

（ 3 ） σ- 移位反应 在共轭 π 体系中 , 处于烯丙位的一个 σ- 键断裂 , 在 π 体系另一端生成一个新的 σ- 键，同时伴随 π 键的转移 , 这类反应叫做 σ- 移位反应 , 也叫做 σ- 移位重排。

C (C C)n

ZC (C C)n C

Z

C

C

CC

CC C

C

CC

CC

[1,n]σ- 移位反应

[3,3]σ- 移位反应

36

37

（甲） [1,n] 移位反应

CD2H

[1,5]ÇâÒÆλ

¡÷

HO

CH3 C9H17

H2CHÇâÒÆλ[1,7]

CH2H

CD2

123

4

5

HO

H2CH

CH3 C9H17

123

45

6

7

38

CH3

CH3H

1

2

3

D HOAc

AcO H D

300 C

H

CH3

12

3

4

5

CH3

CH3

12 3

45

CH3

39

（乙） [3,3] 移位反应（ a ） Claisen 重排反应

200 C0OCH2CH=CH2

* OHCH2CH=CH2*

200 C0

*OCH2CH=CH2H3C CH3

*

OHCH3

CH2CH=CH2

H3C

相当于进行了两次 Claisen 重排

Claisen 重排头尾对调，邻位被占时到对位。1 2 3

1'2'

3'

40

Claisen 重排是协同历程的分子内重排

O O

OHCH2CH=CH2

互变异构

如果邻位有取代基，不能进行互变异构，重排将继续到对位

O H

CH2CH=CH2

41

C0200

O CH3

CH2CH=CH2

H3C*OCH2CH=CH2

H3C CH3 *

CH3H3CCH2

CHCH2

O

**CH2CH=CH2

H3CO

CH3

H

CH2CH=CH2

H3COH

CH3

*

42

OCH2CH=CH2H3CO

CH2CH=CH2H3COOH

¡÷*

*

邻丁子香酚

Claisen 重排在有机合成上具有较大价值：

43

（ b ） Cope 重排反应 [1,3] 碳迁移H3C

300¡æH3C

H3C

ROOC

H3C

ROOC150¡æ

12

3

1'2' 3'

CH31

2

3 CH3

CH31'

2'3'

CH3

44

O

CH3CH3

CH3

CH3

HO

H3C

H3CH

H

H3C

H3C

H3C

H3C

H3C

H3C

Cope 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：

45

¡÷C2H5

OH

OCH3

CH3OH O

C2H5

C2H5

O

C2H5

OH

H3CO

¡÷

LiAlH4C2H5

O

C2H5

O ¡÷

C2H5

O

46

（二）周环反应的理论及其应用

1 、前线轨道理论 (Frontal m.o. 称 FMO 理论）

47

HOMO(highest occupied molecular orbital): 指被

电子占据的能量最高的 π 轨道LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital) ：指未被电子占据的能量最低的空 π 轨道

对分子内反应来说主要决定于反应物的 HOMO，对分子间反应来说必然是一种物质的分子提供 HOMO，另一种物质的分子提供 LUMO。电子由 HOMO 流向LUMO，二者对称性匹配则易于反应，对称性不匹配则难于反应。

48

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 HOMO ；双分子反应涉及一个分子的 HOMO 和另一个分子的 LUMO 。

（1）、FMO理论对

的解释。

49

共轭二烯烃的分子轨道与成键方式

¦× 1

¦× 2

¦× 3

¦× 4

²¨ º¯ Êý »ù̬ ¼¤·¢ ̬

LUMO

LUMO

HOMO

HOMO

( ) ( h¦Ô )

(˳Ðý³É¼ü£©

(¶ÔÐý³É¼ü£©

¡÷

50

共轭三烯烃的分子轨道与成键方式

¡÷

(˳Ðý³É¼ü£©

(¶ÔÐý³É¼ü£©

( h¦Ô )( )

HOMO

HOMO

LUMO

¼¤·¢ ̬»ù̬²¨ º¯ Êý

¦× 4

¦× 3

¦× 2

¦× 1

51

[2+2] 环加成反应的分子轨道与成键方式：

HOMO+LUMO

»ù̬ ¼¤·¢ ̬

LUMO

HOMO

HOMO

( ) ( h¦Ô )¡÷

52

HOMO

LUMO

HOMO

LUMO

(I) 热反应（对称禁阻）

(II) 光反应（对称允许）

激发态 HOMO+ 基态 LUMO

53

[4+2] 环加成反应的分子轨道与成键方式：

HOMO+LUMO

HOMOLUMO

HOMO LUMO¦× 3¦× 2

双烯体基态 LUMO

+ 亲双烯体基态 HOMO

双烯体基态 HOMO+

亲双烯体基态 LUMO

54

本章重点掌握电环化反应与环加成反应的选律，会写一般的电环化反应，环加成反应及σ -迁移反应，（就象课堂例题那种水平的）

55