有机化学电子教案 第十七章“周环反应
College Chemistry of Jilin Normal University 第一章 绪 论 主讲人：王康成教授 有机化学电子教案 第十七章 周环反应
第一节周环反应的理论 、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: CHO CHO CHO College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University 第一节 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 R R R=-COOCH3 College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University （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 hυ R R R R R = -COOCH3
周环反应的理 (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 个是能量比原子轨道高的反键轨道 反键轨道 原子轨道 成键轨道 College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University 二、周环反应的理 （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。 成键轨道 反键轨道 X1 X2 原子轨道
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○○+(∞+x 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。 College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University （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。 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。 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-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。 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。 College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University 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。 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
(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,能量最髙的已占分子轨道(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)。 化学键的形成主要是由FMO的相互作用所决定的。 College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University （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）。 化学键的形成主要是由FMO的相互作用所决定的
第二节电环化反应 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 College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University 第二节 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
、含4m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: lC1C2,C3C4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 旋转的方式有两种,顺旋和对旋。 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v29889 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 College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University 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。 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。 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是v3 8888 所以丁二烯在激发态(光照)环化时,对旋允许,顺旋是禁阻。 对旋(允许) 8 顺旋(禁阻) College Chemistry of jilin Normal university
College Chemistry of Jilin Normal University 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。 hυ υ h 对旋（允许） 顺旋（禁阻）