周环反应
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周环反应

-
-
-
-
+
-
顺旋
+ +
+
-
结论:加热下,顺旋成键。 结论:加热下,顺旋成键。 成键
光照下
分子处于激发态, 分子处于激发态,其HOMO为ψ3 为
hν 对旋
+ +
hν
+
顺旋
-
-
-
-
+
-
hν 对旋
+ +
不成键
结论:光照下,对旋成键 结论:光照下,对旋成键
CH3 H H CH3
(E,E)-2,4-hexadiene
加热条件
+ ll
165℃ 90MPa
HOMO
LUMO
LUMO [ 4+2 ] 环加成反应(热 应) 热反
HOMO
HOMO*
LUMO
LUMO [ 4+2 ] 环加成光反应禁阻
HOMO*
• 参与加成的是一个分子的 参与加成的是一个分子的HOMO和另一个分子的 和另一个分子的LUMO, 电子 和另一个分子的 由一个分子的HOMO流向另一个分子的 流向另一个分子的LUMO; 由一个分子的 流向另一个分子的 ; 正常的D 反应由双烯体提供HOMO, LUMO。 正常的D-A反应由双烯体提供HOMO, 亲双烯体提供 LUMO。 吸电子基可降低亲双烯体LUMO能量 给电子基可升高双烯体 能量; 吸电子基可降低亲双烯体 能量 HOMO能量 两者均使反应容易进行。 能量, 两者均使反应容易进行。 能量
第十七章
周 环 反 应
Pericyclic reaction
自由基反应:反应中间体为自由基( 1、自由基反应:反应中间体为自由基(R· ) 离子型反应: 2、离子型反应:反应中间体为离子 周环反应:反应过程中,无中间体生成, 3、周环反应:反应过程中,无中间体生成,反应中 化学键的断裂和生成同步进行。过渡态是环状的协 化学键的断裂和生成同步进行。 同反应。 同反应。
周环反应

关于2,4-己二烯的电环化反应总结如下:
CH3 H H CH3 CH3
顺旋
CH3 H H CH3
hν
对旋
CH3
顺旋
H CH3 H
H CH3 H
hν
对旋
总:若开链共轭烯有4个或4m个Π电子,加热顺旋关环, 加热顺旋开环。光照对旋关环,光照对旋开环。 练习:写出下列反应的产物或中间产物
Ph
Ph
Ph H H
[1,5] H迁移
H D CH 3 C2H5 (2)
D CH3 H (3) CH3
H H 3C
CH3 D C2H5 (1)
H3C
CH3 D C2H5 H
CH3
[1,5] H迁移
C2H5
2. [ 3,3 ]迁移 结论: 在加热时[ 3,3 ]迁移是轨道对称性允许的 。
以1, 5--己二烯为例:在加热时发生[ 3,3 ]迁移 2 3 1 2 3 1 CH2 CH CH2 CH2 CH CH2
i= 1 Z C 5
注:[ i, j]表示迁移后σ键所连接的两个原子的位置。 i, j 的编号分别从反应物中以σ键连接的两个原子开始编号。
1 H CD2 5 CH 4 CH 3 CH 2 CH2 1 H CD2 CH CH CH CH2
[1, 5] H 迁移
C--H键σ迁移
CH3 3 2 CH CH CH2 3 CH 2
9
℃
40 ℃
CH3
Br
(3)
Br
RMgX
R
R
(
)
R R
Br
(4)
Br
2C6H5S-
Sφ Sφ
二. 环加成 在光或热的作用下在两个 Π电子共轭体系的两端同 时生成两个σ键而闭合成环的反应叫环加成反应。 分类:由两个Π电子体系中参与反应的Π电子的数 目分类。
《周 环 反 应》课件

一个σ键由共轭体系的一端迁移到另一 端,同时发生共轭双键的移动。
A
1
3
2
A
1
3
2
四.周环反应的理论
1. 分子轨道和成键轨道
周环反应的过程,可用轨道来描述,有机化 学中涉及最多的原子轨道为1p轨道和2s轨道。
原子轨道线性组合成分子轨道。当两个等价 原子轨道组合时,总是形成两个新的分子轨道, 一个是能量比原子轨道低的成键轨道,另一个是 能量比原子轨道高的反键轨道。
前者对电子的束缚力较松弛,具电子供体的性质,易给予电 子;后者对电子的亲和力较强,具电子受体的性质,易接受电子。 它们在化学反应中犹如价电子一样起作用,处于反应的最前沿, 所以称为前线轨道,其上的电子称为前线电子。
进行反应时是前线分子轨道,即HOMO和LUMO之间的作用。
发生作用的HOMO和LUMO必须对称性一致。能量水平接近。
电环化反应的立体选择性规律
π电子数
反应条件
立体化学
4n
分子轨道对称守恒原理有三种理论解释: 前线轨道理论; 能量相关理论; 芳香过渡态理论(休克尔-莫比乌斯结构理论)。
现代有机合成之父伍德沃德
伍德沃德1917年4月10日生于美国波士顿。从小喜读书, 善思考。1933年夏,仅16岁的伍德沃德以优异的成绩,考入美 国著名大学麻省理工学院。在全班学生中,他年龄最小,素有
3 H
CH3 H
CH3 LUMO HOMO
hv 对旋
H H3C
CH3
H3C
+
H
H
H CH3
子
H3C
CH3
H
H
轨 道
2 H
CH3 H
CH3 HOMO
+
A
1
3
2
A
1
3
2
四.周环反应的理论
1. 分子轨道和成键轨道
周环反应的过程,可用轨道来描述,有机化 学中涉及最多的原子轨道为1p轨道和2s轨道。
原子轨道线性组合成分子轨道。当两个等价 原子轨道组合时,总是形成两个新的分子轨道, 一个是能量比原子轨道低的成键轨道,另一个是 能量比原子轨道高的反键轨道。
前者对电子的束缚力较松弛,具电子供体的性质,易给予电 子;后者对电子的亲和力较强,具电子受体的性质,易接受电子。 它们在化学反应中犹如价电子一样起作用,处于反应的最前沿, 所以称为前线轨道,其上的电子称为前线电子。
进行反应时是前线分子轨道,即HOMO和LUMO之间的作用。
发生作用的HOMO和LUMO必须对称性一致。能量水平接近。
电环化反应的立体选择性规律
π电子数
反应条件
立体化学
4n
分子轨道对称守恒原理有三种理论解释: 前线轨道理论; 能量相关理论; 芳香过渡态理论(休克尔-莫比乌斯结构理论)。
现代有机合成之父伍德沃德
伍德沃德1917年4月10日生于美国波士顿。从小喜读书, 善思考。1933年夏,仅16岁的伍德沃德以优异的成绩,考入美 国著名大学麻省理工学院。在全班学生中,他年龄最小,素有
3 H
CH3 H
CH3 LUMO HOMO
hv 对旋
H H3C
CH3
H3C
+
H
H
H CH3
子
H3C
CH3
H
H
轨 道
2 H
CH3 H
CH3 HOMO
+
第十七章周环反应

3、[3,3]σ键迁移
由碳-碳σ键发生的[3,3]迁移称为Cope重排。
Cope重排中“类双自由基”过渡态
ψ3b ψ3a
HOMOb ψ2b
ψ2a HOMO a
ψ1b
ψ1a
反应的过渡状态为椅式构象。
Cope重排的应用:
Claisen重排
是碳-氧键参加的[3,3]迁移反应。
2
2 2 2
2
3
3 2
[2+2]
[4+2]
一、分子间进行协同反应的原则
①两个分子发生环加成反应时,起决定作用的轨道是一 个分子的HOMO和另一个分子的LUMO,反应过程中电 子由一个分子的HOMO流入另一个分子的LUMO。 ②当两个分子相互作用形成σ键时,两个起决定作用的 轨道必须发生同位相重叠。 ③相互作用的两个轨道,能量必须接近,能量越接近, 反应越易进行。
二、[2+2]环加成
乙烯的π分子轨道:
基态(加热):
乙烯B的LUMOψ2 乙烯A的HOMOψ1
加热条件下的[2+2]环加成是轨道对称性禁阻的途径。
激发态(光照):
乙烯B的LUMOψ2 乙烯A的HOMOψ2
光照条件下的[2+2]环加成是轨道对称性允许的。
三、[4+2]环加成
基态时乙烯与丁二烯的FMO:
}
前线轨道FMO
前线轨道理论的中心思想 分子中的前线电子类似于单个原子的价电子,因此 在化学反应过程中,最先作用的分子轨道是前线轨 道,起关键作用的电子是前线电子。
第二节 电环化反应
电环化反应的理论基础
Woodward-Hoffmann 规则
4n体系的分子轨道
注意: 基态: HOMO LUMO
有机化学 第17章 周环反应

Diels-Alder反应
W +
W
W
例:
+
O
O O
H H O O O + H H
O O O
顺式加成
endo(内型) 动力学控制产物
exo(外型) 热力学控制产物
[3, 3]s迁移(Claisen重排、Cope重排)
X H X
X
X=O or CH2
例:
H CH3 H CH3 225oC
Z型 CH3 E 型 CH3 CH3 H CH3 H 椅式构象过渡态 H
The Nobel Prize in Chemistry 1981
"for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions"
Kenichi Fukui
Japan Kyoto University Kyoto, Japan (1918 – 1998)
CH3 hv
对旋 a
3 H H 1 CH3
H
a b
H hv CH3 CH3 2 H
1与2为 对映体
CH3 H
cis, trans
对旋 b
trans-二取代
trans-二取代
CH3 H CH3 H 3
cis-二取代
CH3 hv H H CH3
a
b hv
H
对旋 a
对旋 b
4
CH3 H CH3
3与4 相同
Roald Hoffmann USA Cornell University Ithaca, NY, USA 1937 -
周环反应课件

H OCOCH3 DH
300 ℃
CH3 1
3
2
[1,3 ]σ键烷基迁移 (同面 / 翻转)
H OCOCH3 HD
CH3 1
3
2
C[ 1, 5] 迁移(4n+2 π 电子) :
加热下,同面迁移构型保持,异面迁移构 型翻转;光照下,同面迁移构型翻转,异面 迁移构型保持保持。
CH3 CH3
[1,5]碳移位
H
A BD
R 同 面 迁 移 1 ,3H B D
(4) C[ i, j ] 迁移 [3,3]迁移:
① Cope重排
NC
NC
EtOOC
[3, 3]
EtOOC
1, 5-二烯类化合物在加热条件下发生的 [3,3] 迁移, 生成取代基更多、更稳定的烯烃。
i C 1 C 2 C 3
j
o CC
1' 2' 3'
对
H
Ph Ph
H
H
Ph
Ph
H
H 3 C CH 3 H Ph
Ph
顺
Ph
H Ph
H
CH 3 H H CH 3
HH
HH
练习
CH3
o
(1)
H
175
H
顺旋
CH3
CH3
(2)
顺旋
CH3
CH3
CH3
H
+
H
CH3
CH3
H
CH3 CH3 H
CH3
对旋
(3) hv
CH3
顺旋
CH3
CH3 CH3
CH3
(5) (6)
在化学反应过程中,能形成环状过渡态的协同反 应称为周环反应。所谓协同反应的含义是:在一个 反应中,有两个或两个以上的化学键相互协调地同 时破裂和形成,所以协同反应是一种基元反应。
第十一章 周环反应

第四节 σ迁移源自应[1,j] 氢迁移选择规则
电子数(1+j) 4n [1,3] 4n+2 [1,5]
反应条件 光照 加热
立体选择 同面迁移 同面迁移
第四节 σ迁移反应
2. [1,j]碳迁移
第四节 σ迁移反应
2. [1,j]碳迁移
第四节 σ迁移反应
3. [i,j]碳迁移
3 2 1 3' 2' 1'
周环反应中前线轨道的性质决定着反应的途径
第一节 周环反应
二、前线轨道理论和对称守恒原则 2、对称守恒原则
Robert B. Woodward (1917–1979) 美国 1965年获奖
随分子轨道能级的 增加,对称性也由 对称转向不对称
第一节 周环反应
二、前线轨道理论和对称守恒原则 2、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, 反应中分子轨道的对称性必须守恒
二、电环化反应解释
前线轨道为HOMO轨道 1. 2,4-己二烯的电环化反应——4n体系
第二节 电环化反应
第二节 电环化反应
2. 2,4,6-辛三烯的电环化反应 ——4n体系
第二节 电环化反应
第二节 电环化反应
3. 电环化选择规律
共轭体系 电子数
顺 对 旋 旋
4n+2
4n
禁阻
h
允许
允许
第一节 周环反应
一、周环反应 电环化反应
1. 周环反应
环加成反应
σ迁移反应
第一节 周环反应
电环化反应和 σ迁移反应是分子内反应 环加成反应一般是分子间反应 2. 周环反应特点 (1) 协同反应
(2) 不要酸碱催化,也不受溶剂极性影响,但受光或热制约
电子数(1+j) 4n [1,3] 4n+2 [1,5]
反应条件 光照 加热
立体选择 同面迁移 同面迁移
第四节 σ迁移反应
2. [1,j]碳迁移
第四节 σ迁移反应
2. [1,j]碳迁移
第四节 σ迁移反应
3. [i,j]碳迁移
3 2 1 3' 2' 1'
周环反应中前线轨道的性质决定着反应的途径
第一节 周环反应
二、前线轨道理论和对称守恒原则 2、对称守恒原则
Robert B. Woodward (1917–1979) 美国 1965年获奖
随分子轨道能级的 增加,对称性也由 对称转向不对称
第一节 周环反应
二、前线轨道理论和对称守恒原则 2、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, 反应中分子轨道的对称性必须守恒
二、电环化反应解释
前线轨道为HOMO轨道 1. 2,4-己二烯的电环化反应——4n体系
第二节 电环化反应
第二节 电环化反应
2. 2,4,6-辛三烯的电环化反应 ——4n体系
第二节 电环化反应
第二节 电环化反应
3. 电环化选择规律
共轭体系 电子数
顺 对 旋 旋
4n+2
4n
禁阻
h
允许
允许
第一节 周环反应
一、周环反应 电环化反应
1. 周环反应
环加成反应
σ迁移反应
第一节 周环反应
电环化反应和 σ迁移反应是分子内反应 环加成反应一般是分子间反应 2. 周环反应特点 (1) 协同反应
(2) 不要酸碱催化,也不受溶剂极性影响,但受光或热制约
周环反应

35
[1,5] H 迁移
实际反应中, [1,5] H同面 迁移(热允许) 十分普遍,而光 反应(异面迁移) 很少
同面迁移(热允许,光禁阻) 异面迁移(热禁阻,光允许)
36
37
24.3.3 [3, 3]迁移 Cope重排
[3,3] 迁移
C1—C1’之间的键断裂, 同时C3—C3’之间的键形 成,相当于两个烯丙基, 其HOMO轨道键同面迁移, 过渡态的轨道对称性匹配, 空间因素也无阻碍。(类 似于6个电子的体系,热 允许)
11
加热条件 (前线轨道理论)
LUMO
HOMO
基态
对称性允许
对称性禁阻
12
光照条件
(前线轨道理论)
4 LUMO
3 HOMO
2
1
第一激发态
对称性禁阻
对称性允许
13
电开环反应
14
含6个电子的体系(电环化反应)
15 CH3CH=CHCH=CHCH=CHCH 3
6个电子的体系(电环化反应)
加热:对旋对称性允许; 顺旋对称性禁阻
光照:顺旋对称性允许;对旋对称性禁阻
16
动态平衡
热关环
17
4m 个 电子体系
4m+2 个电子体系
18
电环化反应选择规律
4m个 电子:热允许,顺旋(光禁阻) 光允许,对旋(热禁阻)
4m+2个 电子:热允许,对旋(光禁阻) 光允许,顺旋(热禁阻)
19
示例
乙烯分子轨道
29
[2 + 2] 体系的环加成 光照条件
反键轨道
p 轨道
p
轨道
成键轨道
乙烯分子轨道
30
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2-aza-Cope N R N R
2-aza-Cope Rearrangement
t-BuO H N HO NR2 (CH2O)n, NaSO4 MeCN, 80 C
o
t-BuO
t-BuO
N CH2 HO NR2 aza-Cope HO
N CH2 NR2
t-BuO
Mannich O
N CH2 NR2
41
42
Ireland -Claisen rearrangement
43
44
O O O LDA, TBSCl THF, -78 oC then ; AcOH TMS TMS OH TMS O O H H O Oi-Pr
45
46
47
Aza-Cope Rearrangement
1-aza-Cope N R N R R N R 3-aza-Cope N
a) FMO (Frontier Molecular Orbital theory)
HOMO orbitals controls the course of reactions 4 electrons
6
6 electrons
b) Orbital Correlation diagrams The orbital symmetries of both reactants and products are considered The orbitals of the S. M. should must be smoothly transformed into orbitals of products having the same symmetry.
*
A S A S A S
S A S A S A
3
Symmetry-allowed Disrotatory
Symmetry-forbidden Conrotatory
12
c) The aromaticity or antiaromaticity of transition state Hückel type or the Möbius type T.S The basis set of orbitals, i.e. the total set of 2p orbitals are considered Aromatic transition state, low activation energy, allowed; anitaromatic transition state, high activation energy, forbidden. Hückel system zero (or any even number) of phase change aromatic when there are 4n+2 electrons Möbius system one (or any odd number) of phase change aromatic when there are 4n electrons
1
处理周环反应的方法:
轨道对称性守恒原理
(The Conservation of Orbital Symmetry)
在反应过程中,反应物的具有特定对称性的轨道可以被顺利地转化成 产物的具有相同对称性的轨道。
轨道相关图和态相关图
(Orbital Correlation diagrams)
前线轨道理论(FMO) 芳香性过渡态理论 (The aromaticity or antiaromaticity of transition state)
15
x HOMO vacant for EWG occupied for EDG
x LUMO vacant for EWG occupied for EDG
outward
inward
outward
inward
16
17
Examples of electrocyclic reactions:
34
major
35
Examples of Cope rearrangement:
Very rapid
36
b a g f h i
c e
b g f
c d
d j
a
e j i
h
At room temperature, only on signal in 1H NMR and 13C NMR
37
Oxy-Cope rearrangement
o
H
H
H
H
4 electrons
Conrotatory rotating
H H3C H3C H H H
H H3C H3C H3C H H3C
H H 400 oC
H3C H3C
conrotation
4
6 electrons
Disrotatory rotating
5
Mechanistic Treatment
98 %
48
7. 2. 3 [2,3] Sigmatropic rearrangements
The reaction is most facile in systems where X and Y bear charges
49
50
A Allylic sulfoxide, selenoixde and amine oxide
13
4 electrons Conrotatory rotating,
,Möbius aromaticity disrotatory rotating,
Hückel antiaromaticity
6 electrons
Conrotatory Möbius antiaromaticity
Disrotatory Hückel aromaticity
Suprafacial (inversion at M. C)
Suprafacial (retention at M. C)
26
*, LUMO
*, LUMO
HOMO HOMO
27
The aromaticity or antiaromaticity of transition state
14
The substitutents at the C3 might rotate inward or outward
Steric effect: larger group move outward Donor substituents such as O¯¯ and NH2rotate outward; accepter substituents such as CH=O andCH =NH2+ rotate inward.
Endo T. S. is preferred
51
B Sulfonium and ammonium ylides
52
C. Anionic Wittig Rearrangement
Driving force — formation of the carbonyl compounds
Greatly accelerated
38
Pd2+ could catalyze Cope rearrangement:
39
Claisen Rearrangement
40
Ortho-ester-Claisen rearrangement
周环反应特点 Concerted process with no reaction intermediates detected during the reaction. Cyclic transition states Stereospecificity and regioselectivity Reaction mechanism is rationalized with symmetry properties of orbitals that are directly involved.
28
29
30
Examples of [1, n] sigmatropic rearrangements:
31
32
7. 2. 2 [3,3] Sigmatropic rearrangements
33
Cope Rearrangement
Cope rearrangement usually proceeds though a chair-like transition state But the boat-like transition state is allowed. If steric factors make a boatlike transition state more favorable, the reaction will proceed through a boat.
18
Very rapid process Valence tautomerism
19
Electrocyclic Reactions of Charged Species
X H
-X slow H fast
or concerted
2 electrons
Sterically favorable
20
2×106more rapidly
2
7.1 Electrocyclic Reactions
两种转动方式
Conrotatory rotating
Disrotatory rotating
3
CH3 H CH3 H 175 C
o
CH3 H H CH3 H H
CH3 H H CH3 175 C