1、Chapter 9 环化反应导致 闭(成)环 的反应: (1) 同一分子内的变型. 即同分子内, 不同官能团间, 键联反应. (2) 两个不同分子间, 同时形成两个键 (环加成反应, Diels-Alder 反应). (3) 电环化反应 (分子内反应, 在机理方面有其特点, 与环加成反应有关).本章也要讨论开环. 但开环反应, 应用较少. 只有在某些特殊的情况下, 才有应用背景.,1 环化反应概说环化反应 (pericyclicreaction): 是指经由协同式的键结转移， 而形成环状化合物. 包括: 电子环化反应 (electrocyclization); 钳合反应 (cheletropi
2、c reaction,又 称 螯 合 反 应); 2 + 2,3 + 2,4 + 2 等环化加成反应(cycloaddition).电子环化 及 钳合反应, 是 6 电子的 p 键互变, 而形成新的环状化合物.,电子环化反应: 钳合或螯合反应:.,环合中,双键数, 双键位置变化,双键数, 双键位置变化,2 +2环化加成反应,3 +2环化加成反应4 +2环化加成反应,以上 环化加成反应 特点: (1) 反应的 DS. 所幸 DH不高, DG = DH TDS 0, 因此反应得以进行. 同样缘故, 改变 T 会导致 DG = DH TDS 0, 反应可逆向进行(可逆)的.,(2) 反应常具有立体专
3、一性. 这是协同式反应机理的结果, 一般可用前线分子轨道及轨道对称性的理论加以说明. 2 Diels-Alder 反应 4 + 2环加成反应称为 Diels-Alder 反应 4 原子的反应物, 常为双烯类(dienes) 而 2 原子的反应物, 是烯类, 又称亲双烯类 (dienophiles).,1. Diels-Alder 反应的特点 (1) 双烯类, 为多电子结构; 则亲双烯类, 必为缺电子性的烯类 才能促使环化加成反应. 此时, 双烯类是以最高占用分子轨道 (highest occupied molecular orbital, HOMO)与烯类的最低未占用轨道(lowest uno
4、ccupied molecular orbital, LUMO) 结合:,HOMO,LUMO,(2) 对于二烯和亲二烯体, 都是立体专一的顺式加成, 因此, 产物中也保留着反应物的相对构型, 是立体专一的顺式加成:,若采用顺式构象会引起不利的空间效应 反应可能很慢:(2) 烯 + 二烯 加成, 分内向 (endo) 与外向 (exo):,(100%),(0 %, 无此物质形成),内向: 外向:从产物 A, B 分子结构来看, 以静力学的观点, 稳定性 B A; 但从反应过程的动力学看, 内向反应空阻小, 外向反应空阻大 内向反应容易进行., 反应产物中, 内向加成产物占优势 (多于外向加成物)
5、:,(5) 多电子结构双烯, 是指有推电子基如: 烷基,甲氧基(CH3O-),二甲胺基 (Me2N-), 硫基(RS), 硅氧基(Me3SiO-),乙酰氧基(CH3COO-) 等: 如: Danishefsky 双烯 :,关环双烯:隐藏性双烯:非碳原子双烯的对等物: R2C=CHCHO含三键之对等物 : R2CCHCCR其中, 3-丁烯砜 (3-sulfolene) 及环丁烯, 是隐藏性的双烯, 加热, 即得 1,3-丁二烯.,有的含非碳原子或三键化合物, 也可替代双烯, 进行 Diels-Alder 反应.,(5) 电子缺乏性烯类 (亲二烯试剂), 是指含吸电子基 如: 羰基, 羧基, 硝基
6、, 砜基 SO2R 及氰基等.含两个拉电子基者, 其反应力更强 : 以 Lewis 酸为催化剂, 可加速 Diels-Alder 反应.因 Lewis 酸先与吸电子基的烯类结合, 除增加反应速率外, 也较具立体选择性和位置选择性:,反应结果: 仍然是内加成物 外加成物且: 对位加成物或邻位加成物 间位加成物:,实例:,(1),(2),(3),(4),2. 炔类和含非碳原子的亲双烯基试剂有的炔类和含非碳原子化合物 (如亚胺, 重氮, 醛类, 酮类, 硫酮及腈类等), 也可以作为亲双烯基试剂 :,3. 不对称二烯和不对称亲二烯体的加成反应如果二烯和亲二烯体都是不对称的, 则 Diels-Alder
7、 加成, 可经两种途径发生, 得到混合的加成异构体.然而, 两种可能的加成物中的一种, 也会比另一种更易于形成. 这种区域选择性, 同样可用前线轨道理论来解释.有取代基的二烯或亲二烯体, 主要的 Diels-Alder 加成物:,(1),(2),(3),(4),(5),(6),以上各反应, 间位二取代产物较少 !,4. Diels-Alder 反应的一些有实用的例子Diels-Alder 加成 可合成多种环状 复杂化合物 (见下例). 应用 C=O, C=S, -CN 及 -CN 等基团, 作为亲双烯基的例子, 也列举在下面反应中: (1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8
8、),(9),(10),(11),(12),(13),(14),(15),(15),(17),(18) 利用电子效应 (如 Lewis 酸被羟、酮基螯合) 及立体效应(如引入体积较大的叔丁基), 则在下面反应中, 用手性烯类诱导的不对称环化加成, 产生立体专一产物:,3 1, 3-偶极环化加成反应,1. 1, 3-偶极环化加成的试剂1, 3-偶极环化加成 (1, 3-dipolar cycloaddition): 是一种3 +2的环化加成反应. 3 个原子的部分, 以 HOMO, 与烯类的 LUMO 作用:,3 个原子部分 (即 1, 3-偶极分子): 臭氧 O3:叠氮 RN3:重氮甲烷 :,氧
9、化腈:腈叶立德: (1) 叠氮类化合物 叠氮类化合物 + 烯类 环化加成 三唑啉( triazoline); 当 T 更高时: 脱氮乙烯亚胺 (aziridine, 三员 环化合物).,所涉及的反应:,(2) 氧化腈类偶极化合物 制备: 由卤烷或醛类 氧化腈类偶极化合物.参与的反应: 可与烯类、炔类, 进行环化加成反应. 特殊意义的反应: 发生分子间的氧化腈环化反应:,二苯基噁唑,RCNO 二异丁基铝氢还原 3-胺基醇类 经加氧作用 3-羟基酮类 经 LAD 脱质子 a,b -不饱和醛酮类.若生成的唑环上 C-3 无取代 (即 R = H) 则以碱水处理 3-羟基腈.以下是应用于天然物合成的实
10、例 :,(3) 重氮烷类偶极化合物 制备:重氮烷类, 可由对应的胺基烷类与亚硝酸作用, 产生 N-亚硝基化合物, 再解离, 得到重氮烷类. (制备时需特别注意: 与重金属作用或加热时, 可能会爆炸!,参与的反应: 在光照下, 重氮烷转变成性质活泼的激发态亚烷:CR2 即端烯. 可与苯作用 (Buchner 反应); 可将羧类转变成甲酯; 与酰氯作用, 并在硝酸银水溶液中, 转变成多一个碳的羧酸 (Arndt-Eistert 反应). 反应实例: Buchner 反应 :,与 RCO2H 反应 :RCO2H + CH2N2 RCO2CH3 与 RCOCl 反应 :与酮类化合物发生扩环反应CH3N
11、(NO)CONH2 是产生重氮烷类衍生物的试剂 :,(4) 腈叶立德类偶极化合物 反应:腈叶立德 +双键 1, 3-偶极加成 二氢吡唑(pyrazoline). But T, 或在酸、重金属等催化下 极易脱氧 形成三员环 最终产物:,2. 1, 3-偶极分子反应的电子转移与分子轨道1, 3-偶极分子, 具有共轭结构, 即电子的分配不一定由原子电负性预测, 其电荷间是互变的. 因此, 进行环化加成时, 其位置选择性并不容易预测.,这类环加成, 也是一个4p + 2p的过程反应与 Diels-Alder反应有关.但 4p 电子, 不是二烯, 而是 1, 3-偶极 4 个p 电子仅分布在 3 个原子
12、上.因此, 至少可以画出一个共振结构, 在该结构中, 原子 1 和 3 带有相反的电荷:,此体系的 HOMO和LUMO可与单烯烃的LUMO和HOMO,以和 Diels-Alder 反应相同的方式, 相互作用: 对于不对称烯烃 (或其他亲偶极试剂) 加成的区域选择性的解释, 更加困难. 因而, 在此不进一步讨论.,3. 1, 3-偶极环加成的典型实例 (1),(2),4 碳烯和氮烯对烯烃的加成 1. 碳烯 碳烯, 是不带电荷的缺电子碳的物种, 即为 R2C: 最典型的 /最有价值 的反应, 是对烯烃的加成 得环丙烷类化合物 :,2. 氮烯氮烯, 是碳烯的氮类似物. 同样, 可对烯烃加成, 得到环
13、氮烷类化合物:3. 加成反应机理: 取决于 碳烯或 氮烯中非键电子的排布. 若两个电子在同一轨道中, 而另一轨道是空的 (即所谓单线态), 则是 HOMO - LUMO 相互作用的 2 +2 环加成:,若两个电子处在不同的轨道, 则 加成反应是按自由基途径, 且不是协同, 而是分步地进行. 通常, 详细机理并不重要; 不论是什么机理, 结果都是相同的.,或,但要注意, 产物的立体化学也许取决于机理. 协同加成, 是立体专一的, 烯烃构型, 仍保持在产物中:,但分步的自由基加成, 不是立体专一的, 且可导致生成非对映的环丙烷类混合物:,4. Simmons-Smith 反应: 烯烃 + 二卤甲烷
14、以及锌 (通常是在铜存在下) 反应 将烯烃 环丙烷类化合物 :,5 电环化闭环 Diels-Alder 反应和 1, 3-偶极环加成: 6 个 p 电子 分配在 两个分子中 经环状过渡态成环 电环化反应:6 个 p 电子在同一分子内再分配分子内的成环过程:,同于 Diels-Alder 和 1, 3-偶极环加成, 该反应也是立体专一的:, 99%,产率高,1. 闭环与开环 顺旋与对旋 用前线轨道理论解释产物的立体化学:共轭三烯的HOMO如下图. 因此, 闭环是一种对旋过程:,但, 这些反应是可逆的 (如同 Diels-Alder 和偶极环加成). 上面的例子是一个平衡状态:平衡, 有时利于环化
15、异构体; 有时, 又有利于非环化异构体.后者, 是一个有用的开环方法.,例, 可期望共轭二烯环化环丁烯 (HOMO顺旋过程). 但此情况下, 平衡通常有利于二烯的生成:光照引发电环化闭环: 在这种反应中, 产物的立体化学与通过热环化所得到的产物的立体化学相反:,平衡的有利方向,光 照射底物 电子 进入邻近高能级轨道 (基态 LUMO);原来的 LUMO 变成了光化学闭环的 HOMO;对于二烯和三烯 闭环的结果分别是对旋和顺旋.热反应 有利于顺旋 (对旋禁阻);光反应 有利于对旋(顺旋禁阻) :,2. E 型与 Z 型 光 照射烯烃 也会导致 E-和 Z-异构体的相互转化. 因此, 双键构型不固
16、定的二烯或 三烯, 可发生这种类型的异构化和闭环反应:,E Z 异构化, 可用于 1, 2-二苯基乙烯的光环化.照射任一个异构体 / 或二者混合物 (如从 Witting 反应所得到) 均得到二氢菲.它在空气中自动脱氢成菲.此法也许是目前菲衍生物的最简单的合成途径:,该法也应用在螺烯的合成上 :,6 开环 1. 环化合物分子中的开环就合成价值而言, 开环 闭环. 迄今, 只根据成键反应讨论了合成(成键, 成环).而键的断裂 (丙二酸或 -酮酸衍生物的脱羧作用, 或 从 1, 3-二噻烷或二氢-1, 3- 嗪脱去羰基), 则已附随在主要论题中.第 8 章, 曾碰到有关除去保护基的键断裂. 而在此
17、, 在一特定范围 (开环)内, 来考虑键的断裂, 且其本身, 就可作为一种合成方法.,2. 3, 3 s 迁移3, 3 s 迁移: 在仅涉及一个六元环状过渡态反应中 协同打破 C3-C4 键 / 形成 C1-C6 键 (两个双键位移)使1, 5-二烯重排成另一 1, 5-二烯. C-C 单键由 3, 4 向 1, 6 迁移 (通过 3 个碳原子的电子迁移):,可见, 若原 C3-C4 键是环的一部分, 则此法可为开环的一种类型:一般, 重排是立体专一的, 但产物的构型常不能预言(取决于过渡态的构象). 若船式和椅式构象均可合理形成时, 则椅式构象优于船式构象:,(1),(2),优先选择椅式过渡
18、态, 可用前线轨道加以解释:-若认为形成的单键, 是 HOMO 和 LUMO 的相互作用.- 船式过渡态的形成, 需要 C2 和 C5 间相反的轨道相互作用; - 而椅式过渡态的形成, 不存在这样的相互作用.,3. Cope 重排实例,(97 %),(87 %),同于其它周环过程, Cope 重排也是可逆的, 并且平衡的移动, 取决于异构体的稳定性. 例:若产物进一步反应, 正向反应可占优势 :,(91 %),4. 其它 开环反应 (1) 钳合型 消去反应 钳合成环的逆反应例:,Na2N2O3,Na2N2O3: N-硝基化的羟胺的钠盐,又如:,(2) 环重氮化合物的分解反应物极不稳定 低温下即分解.是协同反应和热允许反应:,反应物室温时不稳定, 易分解, 也是协同反应 :后一步: 是自由基反应, 加热 或 光照, 均可进行.,(3) 有成环过渡态的 b -消去反应,End of this chapter,
