第十七章周环反应 学习要求; 1.初步了解周环反应的基本理论一一分子轨道理论和前线轨道理论 2.掌握电环化反应、环加成反应、σ-键迁移反应的反应条件和方式的选择 3.能根据具体条件完成指定的周环反应。 §17-1周环反应的理论 周环反应 前面各章讨论的有机化学反应从机理上看主要有两种,一种是离子型反应, 另一种是自由基型反应,它们都生成稳定的或不稳定的中间体。还有另一种机 理,在反应中不形成离子或自由基中间体,而是由电子重新组织经过四或六中 心环的过渡态而进行的。这类反应表明化学键的断裂和生成是同时发生的,它 们都对过渡态作出贡献。这种一步完成的多中心反应称为周环反应。 周环反应:反应中无中间体生成,而是通过形成过渡态一步完成的多中 心反应。 反应物 产物 周环反应的特征: (1)多中心的一步反应,反应进行时键的断裂和生成是同时进行的(协同 反应)。 例如 ·0一 CHO
·185· 第十七章 周 环 反 应 学习要求； 1．初步了解周环反应的基本理论——分子轨道理论和前线轨道理论。 2．掌握电环化反应、环加成反应、σ-键迁移反应的反应条件和方式的选择。 3．能根据具体条件完成指定的周环反应。 § 17-1 周环反应的理论 一、周环反应 前面各章讨论的有机化学反应从机理上看主要有两种，一种是离子型反应， 另一种是自由基型反应，它们都生成稳定的或不稳定的中间体。还有另一种机 理，在反应中不形成离子或自由基中间体，而是由电子重新组织经过四或六中 心环的过渡态而进行的。这类反应表明化学键的断裂和生成是同时发生的，它 们都对过渡态作出贡献。这种一步完成的多中心反应称为周环反应。 周环反应： 反应中无中间体生成，而是通过形成过渡态一步完成的多中 心反应。 反应物 ——→ 产物 周环反应的特征： （1） 多中心的一步反应，反应进行时键的断裂和生成是同时进行的（协同 反应）。 例如： CHO + CHO CHO
2)反应进行的动力是加热或光照。不受溶剂极性影响,不被酸碱所催化, 不受任何引发剂的引发 (3)反应有突出的立体选择性,生成空间定向产物。 例如 R R=-COOCH 二、周环反应的理论 (一)轨道和成键 周环反应的过程,广泛的应用轨道来描述,这些轨道往往是用图形来表示。 有机化学中涉及最多的原子轨道为1p轨道和2s轨道。 原子轨道线形组合成分子轨道。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 反键轨道 X2原子轨道 成键轨道 (二)分子轨道对称守恒原理 原子轨道组合成分子轨道时,遵守轨道对称守恒原理。即当两个原子轨道 的对称性相同(位相相同)的则给出成键轨道,两个原子轨道的对称性不同(位 相不同)的则给出反键轨道。 原子轨道图形 对称 不对称 S轨道 P轨道○○
·186· （2） 反应进行的动力是加热或光照。不受溶剂极性影响，不被酸碱所催化， 不受任何引发剂的引发。 （3） 反应有突出的立体选择性，生成空间定向产物。 例如： 二、周环反应的理论 （一）轨道和成键 周环反应的过程，广泛的应用轨道来描述，这些轨道往往是用图形来表示。 有机化学中涉及最多的原子轨道为 1p 轨道和 2s 轨道。 原子轨道线形组合成分子轨道。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。 （二）分子轨道对称守恒原理 原子轨道组合成分子轨道时，遵守轨道对称守恒原理。即当两个原子轨道 的对称性相同（位相相同）的则给出成键轨道，两个原子轨道的对称性不同（位 相不同）的则给出反键轨道。 R R hυ R R R R R = -COOCH3 成键轨道 反键轨道 X1 X2 原子轨道 原子轨道 图形 对称 不对称 轨道 轨道 S P
分子轨道对称守恒原理是1965年德国化学家五德沃德(R.B. Woodward)和 霍夫曼(R. Hoffmann)根据大量实验事实提出的。 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; 休克尔-莫比乌斯结构理论(芳香过渡态理论)。这几种理论各自从不同的角度 讨论轨道的对称性。其中前线轨道理论最为简明,易于掌握。 分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论是近代有机化学中的重大成果之 。为此,轨道对称守恒原理创始人之一R.霍夫曼和前线轨道理论的创始人福 井谦一共同获得了1981年的诺贝尔化学奖 键的形成 当两个原子轨道沿着键轴方向对称重叠时,可形成两个σ-键的分子轨道。 对称性相同的原子轨道形成σ-成键轨道,对称性不同的原子轨道形成σ·成键轨 道。见Ps23 2.π-键的形成 当两个P轨道侧面重叠时,可形成两个π分子轨道。对称性相同的P轨道形 成成键π轨道。对称性不同的P轨道形成反键π·轨道。见Pax3 (三)前线轨道理论 前线轨道理论的创始人福井谦一指出,分子轨道中能量最高的填有电子的轨 道和能量最低的空轨道在反应只是至关重要的。福井谦一认为,能量最高的已 占分子轨道(简称HoMO)上的电子被束缚得最松弛,最容易激发到能量最低的 空轨道(简称LUM)中去,并用图象来说明化学反应中的一些经验规律。因为 HOM轨道和LUM0轨道是处于前线的轨道,所以称为前线轨道(简称FMO) 例如,丁二烯分子中总共有4个π电子,可形成4个分子轨道ψ,中2,中 3,中4,其中ψ和ψ2为成键轨道,ψ3和ψ为反键轨道。当丁二烯处于基态时 分子轨道ψ1和中2各有两个电子,电子态为ψ2,中2,因E2>E,所以ψ2就是 HOMO轨道。ψ3和ψ4是空轨道,而E3<E4,所以ψ3是LUMO轨道。ψ2和ψ3都为 前线轨道
·187· 分子轨道对称守恒原理是 1965 年德国化学家五德沃德（R.B.Woodward）和 霍夫曼（R.Hoffmann）根据大量实验事实提出的。 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； 休克尔-莫比乌斯结构理论（芳香过渡态理论）。这几种理论各自从不同的角度 讨论轨道的对称性。其中前线轨道理论最为简明，易于掌握。 分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论是近代有机化学中的重大成果之 一。为此，轨道对称守恒原理创始人之一 R.霍夫曼和前线轨道理论的创始人福 井谦一共同获得了 1981 年的诺贝尔化学奖。 1．σ-键的形成 当两个原子轨道沿着键轴方向对称重叠时，可形成两个σ-键的分子轨道。 对称性相同的原子轨道形成σ-成键轨道，对称性不同的原子轨道形成σ*成键轨 道。见 P532~533。 2．π-键的形成 当两个 P 轨道侧面重叠时，可形成两个π分子轨道。对称性相同的 P 轨道形 成成键π轨道。对称性不同的 P 轨道形成反键π*轨道。见 P533~534。 （三）前线轨道理论 前线轨道理论的创始人福井谦一指出，分子轨道中能量最高的填有电子的轨 道和能量最低的空轨道在反应只是至关重要的。福井谦一认为，能量最高的已 占分子轨道（简称 HOMO）上的电子被束缚得最松弛，最容易激发到能量最低的 空轨道（简称 LUMO）中去，并用图象来说明化学反应中的一些经验规律。因为 HOMO 轨道和 LUMO 轨道是处于前线的轨道，所以称为前线轨道（简称 FMO）。 例如，丁二烯分子中总共有 4 个π电子，可形成 4 个分子轨道ψ1，ψ2，ψ 3，ψ4，其中ψ1和ψ2为成键轨道，ψ3和ψ4为反键轨道。当丁二烯处于基态时， 分子轨道ψ1 和ψ2 各有两个电子，电子态为ψ1 2，ψ2 2，因 E2 > E1，所以ψ2 就是 HOMO 轨道。ψ3和ψ4是空轨道，而 E3 < E4，所以ψ3是 LUMO 轨道。ψ2和ψ3都为 前线轨道
化学键的形成主要是由FMO的相互作用所决定的 88 81- +) 585 基态激发态 丁二烯的分子轨道图 §17-2电环化反应 电环化反应是在光或热的条件下,共轭多烯烃的两端环化成环烯烃和其逆反 应一一环烯烃开环成多烯烃的一类反应。例如: == 电环化反应是分子内的周环反应,电环化反应的成键过程取决于反应物中开 链异构物的HOMO轨道的对称性。 含4n个兀电子体系的电环化 以丁二烯为例讨论一一丁二烯电环化成环丁烯时,要求 ①C-C2,C3-C4沿着各自的键轴旋转,使C1和C4的轨道结合形成一个新的 ②旋转的方式有两种,顺旋和对旋。 l88
·188· 化学键的形成主要是由 FMO 的相互作用所决定的。 § 17-2 电环化反应 电环化反应是在光或热的条件下，共轭多烯烃的两端环化成环烯烃和其逆反 应——环烯烃开环成多烯烃的一类反应。例如： 电环化反应是分子内的周环反应，电环化反应的成键过程取决于反应物中开 链异构物的 HOMO 轨道的对称性。 一、含 4n 个π电子体系的电环化 以丁二烯为例讨论——丁二烯电环化成环丁烯时，要求： ① C1—C2，C3—C4沿着各自的键轴旋转，使 C1和 C4的轨道结合形成一个新的 σ-键。 ② 旋转的方式有两种，顺旋和对旋。 ψ ψ ψ ψ 1 2 3 4 E E1 E2 E3 E4 基态 激发态 丁二烯的分子轨道图
反应是顺旋还是对旋,取决于分子是基态还是激发态时的HOMO轨道的 对称性。 丁二烯在基态(加热)环化时,起反应的前线轨道HOMO 所以丁二烯在基态(加热)环化时,顺旋允许,对旋禁阻。 }_顺旋 允许的 对旋 禁阻的 丁二烯在激发态(光照)环化时,起反应的前线轨道HOMO 888 所以丁二烯在激发态(光照)环化时,对旋允许,顺旋是禁阻的。 →h 8)对旋(允许)次 顺旋(禁阻) 其他含有π电子数为4n的共轭多烯烃体系的电环化反应的方式也基本相 同 例如 CH3+xT CH325℃ CH顺旋 CH3
·189· ③ 反应是顺旋还是对旋，取决于分子是基态还是激发态时的 HOMO 轨道的 对称性。 丁二烯在基态（加热）环化时，起反应的前线轨道 HOMO 是ψ2 所以丁二烯在基态（加热）环化时，顺旋允许，对旋禁阻。 丁二烯在激发态（光照）环化时，起反应的前线轨道 HOMO 是ψ3 所以丁二烯在激发态（光照）环化时，对旋允许，顺旋是禁阻的。 其他含有π电子数为 4n 的共轭多烯烃体系的电环化反应的方式也基本相 同。 例如： 顺旋 允许的 对旋 禁阻的 hυ υh 对旋（允许） 顺旋（禁阻） CH3 CH3 Ph Ph Ph Ph CH3 CH3 Ph CH3 Ph CH3 25 ℃ 顺旋
顺旋 对旋H H CH3 CH3 CH3 二、4n+2个π电子体系的电环化 以己三烯为例讨论,处理方式同丁二烯。先看按线性组合的己三烯的六个分 子轨道。 8888E 88888 E4 Q(② 基态激发态 己三烯的π轨道 从己三烯为例的轨道可以看出: 4n+2m电子体系的多烯烃在基态(热反应时)中3为HOMO,电环化时对旋是 轨道对称性允许的,C和C6间可形成σ-键,顺旋是轨道对称性禁阻的,C1 和C6间不能形成σ-键
·190· 二、4n+2 个π电子体系的电环化 以己三烯为例讨论，处理方式同丁二烯。先看按线性组合的己三烯的六个分 子轨道。 己三烯的π轨道 从己三烯为例的π轨道可以看出： 4n+2π电子体系的多烯烃在基态（热反应时）ψ3为 HOMO，电环化时对旋是 轨道对称性允许的，C1 和 C6 间可形成σ-键，顺旋是轨道对称性禁阻的，C1 和 C6间不能形成σ-键。 υ H3C CH3 H H h H CH3 H CH3 CH3 H H CH3 顺旋 对旋 ψ ψ ψ ψ ψ ψ 2 3 5 4 6 1 E E1 E2 E3 E4 E5 E6 基态 激发态
顺旋(禁阻) 对旋(允许)C④D 己三烯的热环合 130℃ . CH3 130℃ 顺旋 H3 对旋 4n+2π电子体系的多烯烃在激发态(光照反应时)ψ4为HOMO。电环化时顺 旋是轨道对称性允许的,对旋是轨道对称性禁阻的。 对旋(禁阻) 顺旋(允许) 己三烯的光照环合 其它含有4n+2个π电子体系的共轭多烯烃的电环化反应的方式也基本相 似 例如 顺旋 从以上讨论可以看出,电环化反应的空间过程取决于反应中开链异构物的 HOMO的对称性,若一共轭多烯烃含有4n个π电子体系,则其热化学反应按顺旋 方式进行,光化学反应按对旋进行;如果共轭多烯烃含有4n+2个丌电子体系, 则进行的方向正好与上述相反。此规律称为伍德沃德一霍夫曼规则,见表17-1
·191· 4n+2π电子体系的多烯烃在激发态（光照反应时）ψ4为 HOMO。电环化时顺 旋是轨道对称性允许的，对旋是轨道对称性禁阻的。 其它含有 4n+2 个π电子体系的共轭多烯烃的电环化反应的方式也基本相 似。 例如： 从以上讨论可以看出，电环化反应的空间过程取决于反应中开链异构物的 HOMO 的对称性，若一共轭多烯烃含有 4n 个π电子体系，则其热化学反应按顺旋 方式进行，光化学反应按对旋进行；如果共轭多烯烃含有 4n+2 个π电子体系， 则进行的方向正好与上述相反。此规律称为伍德沃德 — 霍夫曼规则，见表 17-1 ψ 3 顺旋（禁阻） 对旋（允许） 己三烯的热环合 CH3 CH3 H H 130℃ 对旋 CH3 CH3 顺旋 130℃ ψ 4 对旋（禁阻） 顺旋（允许） 己三烯的光照环合 υ hυ h 顺旋 对旋 hυ H H H H
表17-1电环化反应的选择规则 电子数 反应 方式 4 热 顺旋 光 对旋 对旋 光 顺旋 电环化反应在有机合成上的应用也是很有成效的。见Ps5 §17-3环加成反应 两分子烯烃或共轭多烯烃加成成为环状化合物的反应叫环加成反应。例如 CH2 h CH2 CH2 CHO 环加成反应根据反应物的P电子数可分为[2+2]环加成和[4+4]环加成类 环加成反应 (1)是分子间的加成环化反应 (2)由一个分子的HOMO轨道和另一个分子的LOMO轨道交盖而成 (3)FMO理论认为,环加成反应能否进行,主要取决于一反应物分子的HOM0 轨道与另一反应物分子的LOMO轨道的对称性是否匹配,如果两者的对 称性是匹配的,环加成反应允许,反之则禁阻。 192
·192· 表 17-1 电环化反应的选择规则 π电子数 反应 方式 4n 热 光 顺旋 对旋 4n+2 热 光 对旋 顺旋 电环化反应在有机合成上的应用也是很有成效的。见 P538~539。 § 17-3 环加成反应 两分子烯烃或共轭多烯烃加成成为环状化合物的反应叫环加成反应。例如： 环加成反应根据反应物的 P 电子数可分为[2+2]环加成和[4+4] 环加成类 型。 环加成反应： （1）是分子间的加成环化反应。 （2）由一个分子的 HOMO 轨道和另一个分子的 LOMO 轨道交盖而成。 （3）FMO 理论认为，环加成反应能否进行，主要取决于一反应物分子的 HOMO 轨道与另一反应物分子的 LOMO 轨道的对称性是否匹配，如果两者的对 称性是匹配的，环加成反应允许，反之则禁阻。 CH2 CH2 CH2 CH2 + hυ CHO CHO +
从分子轨道(FM0)观点来分析,每个反应物分子的HOMO中已充满电子, 因此与另一分子的的轨道交盖成键时,要求另一轨道是空的,而且能量要与HOMO 轨道的比较接近,所以,能量最低的空轨道LOMO最匹配。 [2+2]环加成 以乙烯的二聚为例 在加热条件下,当两个乙烯分子面对面相互接近时,由于一个乙烯分子的 HOM为π轨道,另一乙烯分子的LOM0为π‘轨道,两者的对称性不匹配,因此 是对称性禁阻的反应。 BI 0 LUNO 热反应(对称性禁阻) 光照条件下,到处于激发态的乙烯分子中的一个电子跃迁π·轨道上去,因 此,乙烯的HOMO是π,另一乙烯分子基态的LOMO也是π,两者的对称性匹配 是允许的,故环声成 LUNO 光反应(对称性允许) HOMO (原LUNO) [2+2]环加成是光作用下允许的反应。 与乙烯结构相似的化合物的环加成方式与依稀的相同。例见Psos Me [4+2]环加成 以乙烯与丁二烯为例讨论
·193· 从分子轨道（FMO）观点来分析，每个反应物分子的 HOMO 中已充满电子， 因此与另一分子的的轨道交盖成键时，要求另一轨道是空的，而且能量要与 HOMO 轨道的比较接近，所以，能量最低的空轨道 LOMO 最匹配。 一、[ 2+2 ]环加成 以乙烯的二聚为例 在加热条件下，当两个乙烯分子面对面相互接近时，由于一个乙烯分子的 HOMO 为π轨道，另一乙烯分子的 LOMO 为π*轨道，两者的对称性不匹配，因此 是对称性禁阻的反应。 光照条件下，到处于激发态的乙烯分子中的一个电子跃迁π*轨道上去，因 此，乙烯的 HOMO 是π*，另一乙烯分子基态的 LOMO 也是π*，两者的对称性匹配 是允许的，故环加成允许。 [ 2+2 ]环加成是光作用下允许的反应。 与乙烯结构相似的化合物的环加成方式与依稀的相同。例见 P540。 二、[ 4+2 ]环加成 以乙烯与丁二烯为例讨论 A Bπ * π LUNO HOMO 热反应（对称性禁阻） A Bπ * π * LUNO LUNO HOMO 原 光反应（对称性允许） （ ） Me Me Me Me + hυ Me Me Me Me
从前线轨道(FM0)来看,乙烯与丁二烯HOMO和LUMO如下图: LUMO LUMO I 3 HOMO HOMO I 2 乙烯的前线轨道图 丁二烯的前线轨道图 当乙烯与丁二烯在加热条件下(基态)进行环加成时,乙烯的HOMO与丁二 烯的LUM0作用或丁二烯的HOMO与乙烯的LUM作用都是对称性允许的,可以重 叠成键。所以,[4+2]环加成是加热允许的反应。如下图: OX LUMO T(丁二烯) IOMO HOMOπ(乙烯) 88 LUMO I 对称性允许的 乙烯和丁二烯的环加成(热反应)图 在光照作用下[4+2]环加成是反应是禁阻的。因为光照使乙烯分子或丁二 烯分子激活,乙烯的π'UM或丁二烯的3LM变成了πhHOM或3HOMO,轨 道对称性不匹配,所以反应是禁阻的。如下图 99u0x:(=烯)86910N0 原来的LUMO HOMOπ*(乙烯) LUMOπ*(乙烯) (原来的LUMO 对称性禁阻的 乙烯和丁二烯的环加成(光作用)图 大量的实验事实证明了这个推断的正确性,例如D-A反应就是一类非常容 易进行且空间定向很强的顺式加成的热反应。例如 cHO100℃ CHO l00%
·194· 从前线轨道（FMO）来看，乙烯与丁二烯 HOMO 和 LUMO 如下图： 当乙烯与丁二烯在加热条件下（基态）进行环加成时，乙烯的 HOMO 与丁二 烯的 LUMO 作用或丁二烯的 HOMO 与乙烯的 LUMO 作用都是对称性允许的，可以重 叠成键。所以，[ 4+2 ]环加成是加热允许的反应。如下图： 对称性允许的 乙烯和丁二烯的环加成（热反应）图 在光照作用下[ 4+2 ]环加成是反应是禁阻的。因为光照使乙烯分子或丁二 烯分子激活，乙烯的π* LUMO 或丁二烯的π3 * LUMO 变成了π* HOMO 或π3 * HOMO，轨 道对称性不匹配，所以反应是禁阻的。如下图： 对称性禁阻的 乙烯和丁二烯的环加成（光作用）图 大量的实验事实证明了这个推断的正确性，例如 D-A 反应就是一类非常容 易进行且空间定向很强的顺式加成的热反应。例如： π HOMO LUMO π π π ψ 3 ψ 2 2 3 * * LUMO HOMO 乙烯的前线轨道图 丁二烯的前线轨道图 π HOMO π LUMO π π 3 2 * * LUMO HOMO （乙烯） （丁二烯） π HOMO π LUMO 3 * * LUMO HOMO （乙烯） （丁二烯） π 3 * LUMO π *（乙烯） （原来的 ） （原来的 LUMO） CHO CHO + 100 ℃ 100%