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1、第4章 环化反应,Cyclization Reaction,Chapter 4,主要讲授内容,4.1 成环概述与策略4.2 非环前体的环化反应4.3 双边环化与环加成反应4.4 芳香族杂环的合成4.5 开环反应,4.1 成环概述与策略,Pericyclic Summary and Tactics,4.1.1 成环反应概述 (Summary on Pericyclic Reaction),碳原子相互结合生成环状化合物是自然界形成有机化合物的最基本现象。,通过成环与开环反应构建分子的碳环、杂环骨架是有机合成核心内容之一。,1.环的特点,环具有闭合的分子骨架。,2.环的分类,根据结构，环可分为脂环和
2、芳环两大类。每一类中又可分为碳环和杂环、单环与多环等类型。,4.1.2 成环反应策略 (Tactics on Pericyclic Reaction),一般而言，环系的建立可通过非环体系的环化或对已有环的修饰来实现，这是成环的基本策略。,1.非环体系的环化,非环体系的环化可能有两种途径：,一是通过一个非环前体分子内反应实现单边环化。,or,式中+/-表示反应包括离子反应、自由基反应和周环反应。,二是通过两个或多个非环片段的分子间反应实现双边或多边环合前体单边环化。,双边（多边）环化一般通过双（多）反应中心化合物与双（多）官能团的结合来实现，可以是协同反应或分步反应。,双边环化,多边环化,通过环
3、修饰的方式环化包含了扩环和缩环的重排反应以及环交换反应。,Example :,2.已有环的修饰,Pinacol 重排,扩环反应,4.2 非环前体的环化反应,Cyclization Reaction on Uncyclo,4.2.1 阴离子环化反应 (Pericyclic Reaction on Anion),1.基本原理,阴离子环化主要是指在环化反应中涉及阴离子中间体的反应。此类环化还包含了亲核环化含氨基、羟基和巯基等非阴离子亲核中心的环化反应。,离子环化所涉及的反应类型：,分子内亲核取代( SNi )、 1, 2 - 加成反应。 1, 4- 加成反应。,亲核试剂有效进攻的立体要求：,通过分子
4、内亲核取代反应或加成反应成环时，亲核反应的过渡态为了满足轨道的有效重叠、达到成键的目的，不同杂化的亲电中心，亲核试剂有效进攻的立体方位不同。,最佳进攻角度：a180o 瓦尔登转化,最佳进攻角度：a109o,最佳进攻角度：a120o,2.Baldwin环化规则,环化反应难易的影响因素：,环的大小：,欲形成环的链上原子数目。,受进攻原子的杂化情况：,sp3杂化( tet ); sp2杂化( trig ); sp2杂化( dig )。,断键方式：,内式( endo )电子向“环”内“流动”，形成较大的环；,外式( exo )电子向“环”外“流动”，形成较小的环。,常见环化反应方式的描述：,Baldw
5、in环化反应规则：,Baldwin在总结非环前体环化反应的立体和立体电子效应规律的基础上，提出了判断和预测非环前体单边环化反应的“有利”或“不利”的Baldwin环化反应规则。,表8.1 Baldwin环化反应规则,Baldwin环化反应规则讨论：,Example: 2-氨基-4-甲叉戊二酸甲酯在碱中反应,Baldwin环化反应规则是许多实验验证的一般规则。,未形成通过分子内Micheal加成的环化产物,Baldwin环化规则预测的“不利”的环化反应并非完全不能进行，只是比较困难，通常比竞争反应慢。,Example: 3-苯基-1-(1-羟基环己基)丙烯酮的环化,酸性条件下形成阳离子中间体，环
6、化方式变成有利的5-exo-trig，其本质仍然遵循Baldwin环化规则。,硫及第三周期的其它元素作为亲核中心往往可进行一般情况下不利的5-endo-trig环化反应。,原因：,因为硫的原子半径较大，C-S键键长较长，而且硫原子空的3d轨道可以从双键的p轨道接受电子，3d轨道与p轨道的这种成键相互作用要求的角度为a90而不是109，所以內式环化在几何上比较容易满足成键要求。,Baldwin环化规则不仅对亲核环化有效，也适用于自由基环化反应和阳离子环化反应。,Example: 自由基环化,Example: 阳离子环化,Baldwin环化反应规则拓展：,Baldwin环化规则可以拓展到以烯醇负离
7、子为亲核体的环化反应中。,环化反应参数的描述：,烯醇负离子以內式( enolendo )进攻,烯醇负离子以外式( enolexo )进攻,烯醇负离子环化反应规则：,表8.2 烯醇负离子环化反应规则,Example 1: 3,3-二甲基-6-溴-2-己酮环化,100%,Example 2: 3,3-二甲基-5-溴-2-戊酮环化,100%,Example 3: 碘促进的2-(2-环己烯基）丙酸环化反应,碘鎓中间体,3.阴离子环化,阴离子环化是最常用的成环方法，碳负离子、氨基、羟基等亲核试剂发生亲核环化生成碳环或杂环化合物。,有利的环化反应方式：,5-exo-tet,5-exo-trig,6-eno
8、lexo-exo-tet,阴离子环化反应讨论：,Example 1: 碳负离子活性中间体SNi方式环化,Example 2: 烯基锂与羰基分子内亲核加成方式的环化,碘-锂交换,分子内亲核加成环化,碘-锂交换速率大于丁基锂加成速率,Example 3: 酸催化分子内羟醛缩合方式的环化,Example 4: 烯丙型三丁基锡和三甲基硅烷对醛分子内加成环化,酸催化，兼容体系中敏感基团,环化反应形成七元环选择性高于六元环,-NH2、OH、-SH 等“天然”亲核基团,99%,77%,Example 5: 分子内亲核“基团”用于杂环化合物的亲核环化,4.2.2 阳离子环化反应 (Pericyclic Rea
9、ction on Cation),阳离子环化是指涉及正碳离子中间体的环化反应。,1. 阳离子环化反应的特点,阳离子环化反应在自然界非常普遍，人们建立了许多体系以模仿自然界的阳离子环化反应。,Example: 萜类和甾体化合物的生源合成,三萜是由鲨烯(squalene)经过不同的途径环合而成，而鲨烯是由倍半萜金合欢醇(farnesol)的焦磷酸酯尾尾缩合而成。,鲨烯,F-C 烷基化反应,92%,这样就沟通了三萜和其它萜类之间的生源关系。,2,3-环氧角鲨烯,羊毛甾醇,阳离子环化反应是构筑多种碳骨架的有效方法。,Example1: 由碳正离子烷基化环化,Example2: 由碳正离子对双键亲电加成
10、环化,阳离子环化反应，只有形成稳定的叔碳正离子时，才具有较好的反应收率，因为非稳定的碳正离子可以发生重排反应。,4.2.3 自由基环化反应 (Pericyclic Reaction on Radical),1. 自由基环化反应的特点,自由基环化是一类分子内环化比分子间环化更容易进行的反应，可用于碳环或杂环的合成。,有效环化的反应底物：,自由基：,碳自由基烷基、烯基、烯丙基、苯基、酰基,杂原子自由基氨基、亚胺基、烷氧基、硫醚,自由基接受体：,活化的烯烃、非活化的烯烃,去活化的烯烃,自由基环化反应的优点：,正常的自由基反应和极性颠倒的自由基反应都可以进行反应环化。,自由基的形成及其前体的合成一般在
11、非酸非碱的中性条件下进行，不会对敏感官能团造成影响，从而避免副反应。,有利的环化反应方式：,5-exo-trig,6-endo-trig, 但自由基环化一般以形成五元环为主。,Example:,酯基： 对酸和碱敏感的基团,自由基加成,2. 自由基环化反应的合成应用,自由基环化反应的合成应用在近二十年得到快速发展，被用于许多复杂天然产物的立体选择性合成。,Example 1: 环酮a-自由基环化石斛碱的合成,生物碱,Example 2: Mn()媒介的氧化自由基环化,自由基环化反应过程：,三乙酸锰： 促进烯醇化,三乙酸锰单电子氧化剂： 从含活泼亚甲基化合物的烯醇式获得一个电子，形成亲电性的自由基
12、,自由基向碳碳双键加成: 形成碳-碳s键,4.3 双边环化与环加成反应,Bilateral Cyclization Reaction and Cycloaddition,双边环化涉及协同或非协同的环加成反应或多步连续单边环化反应。,4.3.1 六元环的形成 (Formation of Six-membered Ring ),4.3.1.1 Diels-Alder反应 (Diels-Alders Reaction),一般4+2环加成，称为Diels-Alder反应，是有机合成中最有用的反应之一，尤其在六元环系合成起着不可替代的作用。,二烯体diene,亲二烯体dienophile,双烯合成反应,
13、形成2个s碳-碳键，建立多样的环己烯体系和多达4个手性中心，较高的区域选择性和立体选择性,for their discovery and development of the diene synthesis,Kurt Alder(1902 1958),Otto P. H. Diels(1876 1954),The Nobel Prize in Chemistry 1950,1. Diels-Alder反应的特点, 反应机理：协同反应,协同反应机理是被广泛接受的Diels-Alder反应机理：,主要依据：,反应是高度的立体专一性的顺式加成，反应物的构型保留在产物中，这是协同的环状过渡态机理特征。
14、,表现出大负值的活化熵和小的活化焓，表明过渡态较基态有序，与被约束的过渡态相符。,反应速率受溶剂的影响很小，排除两性离子中间体生成，因为极性溶剂应加速过渡态中出现电荷的反应速率。,对二烯的结构要求：,二烯必须采用s-顺式构象，若被固定成s-反式构象，则不能发生Diels-Alder反应。,s-cis 构象:,s-trans 构象:,共轭二烯若采用不利的顺式构象引起不利的空间相互作用时，Diels-Alder反应可能很慢。,Example :,立体选择性 ：立体专一性顺式加成,立体专一性顺式加成：,反应对于二烯和亲二烯体都是立体专一地顺式加成。,Example :,反应遵循顺式原理，即二烯和亲二
15、烯体的构型保持到加成产物中。,内型(endo)和外型(exo)加成：,反应遵循内型规则，即动力学控制下优先形成内型产物。,Example :,反应遵循内型规则，根源在于内型方式加成，亲双烯体上的取代基与双烯p-轨道存在有利的次级相互作用。,区域选择性 ：形成“邻、对位”加成产物,不对称取代的组分进行Diels-Alder反应，主要是邻位或对位定向。,Example 1:,邻位：主要产物,Example 2:,对位：主要产物,区域选择性一般规律：,Diels-Alder反应一般使用富电子的的双烯体和缺电子的亲双烯体进行环化反应。,富电子双烯体是指含有推电子基的二烯烃：,还有Danishefsky
16、双烯：,和关环双烯：,缺电子亲双烯体是指含有吸电子基的烯烃：,以及：,区域选择性的一般规律：,邻位：主要产物,对位：主要产物,区域选择性规律的解释：,Example 1:,价键理论方法的解释：,电子云变形概念的解释：,Example 2:,价键理论方法的解释：,电子云变形概念的解释：,主导区域选择性的因素是轨道系数，主要选择原子轨道相互重叠有效的方式。,2. Diels-Alder反应的实例,利用Diels-Alder加成反应，可以合成各种复杂的环系化合物。,Example 1: 1,3-丁二烯与顺酐在苯中共热，定量反应。,Example 2: 呋喃与丁炔二酸甲酯环加成反应。,Example
17、3: 2,3-二甲基-1,3-丁二烯与醌的环加成反应。,Example 4: Danishefsky双烯与2-甲基-2-环己烯酮烯反应。,Danishefsky双烯活性特别高，区域选择性极佳的双烯，可与不活泼的亲双烯体如醛羰基、亚胺进行环加成反应。,Example 5: 水相中进行的Diels-Alder环加成反应。,环境友好的洁净溶剂,Example 6: 亚胺鎓作为亲双烯体的Diels-Alder反应。,亚胺鎓：优良的亲双烯体,反应的意义在于，亚胺鎓可以在水中形成，相应的Diels-Alder反应也可以在水中进行。,4.3.1.2 Robinson反应 (Robinsons Reactio
18、n),除了Diels-Alder反应外，Robinson反应也是合成六元环的重要方法。形式上类似于环加成，可称为分步极性环合。,Robinson反应的基本过程：,该法涉及两次单边环化反应：,Micheal反应,羟醛缩合反应,两次单边环化,活泼亚甲基化合物与,-不饱和酮、酯、腈等发生Micheal反应，继而进行羟醛缩合反应，也称为Robinson增环反应。,Robinson环化反应的设计：,可根据极性原理设计环化反应：,Example 1:“4+2”极性分步环化,Example 2:“3+3”极性分步环化,4.3.2 五元环的形成 (Formation of Five-membered Ring
19、),4.3.2.1 1,3-偶极环加成 (1,3-Dipolar cycloaddition),1,3-偶极环加成是指1,3-偶极分子与不饱和化合物之间进行的环加成，是合成五元杂环化合物和形成碳-碳键的重要方法，也叫3+2环加成。,Example :,1. 1,3-偶极环化加成试剂,偶极体：,偶极体是在分子内1-位和3-位原子上带有相反电荷且具有离子结构的一类化合物。,Example: 稳定的1,3-偶极分子,Example: 需要在反应过程中产生的不稳定偶极体,氧化腈,腈亚胺,N-氧化醛亚胺,亲偶极体：,亲偶极体是一类含有不饱和键( C=C、C=O、CC、CN等)的化合物。,Example
20、:,烯类、丙烯酸酯类化合物,炔类、腈类化合物,羰基化合物,2. 偶极分子的环化加成,1, 3-偶极环加成理论上是许多异构体的混合物，而实际上通常表现出较好的选择性。,基本反应过程：,偶极体与双键的环加成,and / or,偶极体与三键的环加成,偶极环加成只能得到五元环，偶极试剂的加成反应能得到二氢、四氢或芳香杂环化合物。,立体选择性：,高度立体专一性的顺式加成,顺式加成可按不同方向进行，生成两个异构体混合物,偶极分子的环加成实例：,叠氮类化合物与烯类进行1,3-环加成反应产生三唑啉，是一类非常有趣和特别的环化反应，属于周环反应。,Example :,三唑啉(triazoline),乙烯亚胺(a
21、ziriline),提高温度，分解脱氮形成三元环化合物,氧化腈类偶极化合物与烯类、炔类进行1,3-环加成反应，产物是天然产物合成的重要中间体。,Example :,异氧唑啉,3-氨基醇类,3-羟基酮类,-不饱和醛酮类,R=H, 3-羟基腈类,重氮烷类与酮类化合物发生扩环反应，CH3N(NO)CONH2是产生重氮烷类衍生物的试剂。,Example :,重氮甲烷与烯键发生1,3-偶极加成生成氮杂五环状化合物。,Example :,硝酮是一类非常有用的偶极体，与烯键反应用于合成五元环化合物。若把N-O还原断裂，最终结果是形成新的碳碳键，并引进羟基和氨基两个官能团。,环化反应的方式：,硝酮与烯键的分子
22、间环加成反应产生异恶唑烷。,异恶唑烷,Example :,硝酮与烯键的分子内加成则得稠环异恶唑烷。,异恶唑烷,Example :,硝酮的分子内环加成反应原料易得、易于进行，N-O键可被还原断裂，引入立体关系确定的氨基和羟基，因此在有机合成的应用十分广泛。,环化反应的区域和立体选择性：,硝酮与烯键的1,3-偶极加成反应，亲核性的氧与亲偶极体中亲电性碳的结合决定了反应的区域选择性。,Example 1:,Example 2:,亲核性的氧进攻烯键取代较多的碳,硝酮与烯键的1,3-偶极加成反应一般经历外型过渡态，从而形成外型加成产物。,Example 1:,Example 2:,环状硝酮与烯烃的加成，
23、内型过渡态存在着不利的亲偶极体的取代基与环上亚甲基的立体排斥作用。,4.3.2.2 “3+2”分步极性环合反应 (3+2Separately polar cycloaddition),1. 成环反应的基本步骤,3+2反应中的( C2 )双反应中心：,3+2反应中的( C3 )双反应中心：,3+2分步极性环合反应过程：,环戊酮或内酯衍生物,Example 1:,-二羰基化合物稳定碳负离子的烃基化,羟醛缩合反应,Example 2:,烯醇负离子,极性颠倒的3+2分步极性环合反应过程：,式中：,Example 1:,Example 2:,分子内亲核取代( SNi )反应,2. 3+2分步极性环合反应
24、的发展,在Lewis酸四氯化钛催化下，烯丙基三甲基硅烷可与缺电子烯烃和-不饱和醛或酮进行分步2+3极性成环反应。,4.3.3 四元环的形成 (Formation of Four-membered Ring),4.3.4 三元环的形成 (Formation of Three-membered Ring),自习了解,4.4 芳香族杂环的合成,Synthesis of Aromatic Heterocyclics,4.4.1 单杂原子五元杂环化合物的合成 (Synthesis of Five-membered Ring),芳香族单杂原子五元杂环化合物，包括呋喃、吡咯和噻吩环系。,4.4.1.1 2
25、+ 3 型环加成 ( 2 + 3 cycloaddition ),根据芳香族单杂原子五元杂环分子的骨架构成，其合成时杂原子在结构单元的位置(2或3)不同，分为以下3种情况：,上述参加反应的两个分子，除还有杂原子的取代基外，还必须至少含有两个活泼的反应中心，如活泼的羰基。,1. -氨基酮和含活泼亚甲基的羰基化合物的缩合反应,3x + 2c,Knorr 反应：,吡咯环系,R1= H、烷基、芳基等,Example :,3x + 2c,2. -卤代醛(酮)和-酮基羧酸酯的缩合反应,Hantzsch 反应与Feist-Bnery反应：,X = Cl、Br,R1= H、烷基、芳基等,Hantzsch 反应
26、,Feist-Bnery反应,2c + 3x,Example :,2c + 3x,3. -羟基酮和炔二酸酯的缩合反应,3x + 2c,类似的反应：,3x + 2c,4. ,-不饱和醛(酮)和-氨基酸酯的缩合反应,3c + 2x,3c + 2x,类似的反应：,4.4.1.2 1 + 4 型环加成 ( 1 + 4 cycloaddition ),一个杂原子或含杂原子的官能团与含4个碳原子的链状化合物发生关环反应，这是合成单杂原子不饱和五元环的重要方法。,合成方法示意：,4c + 1x,式中4c组分：,丁烯、丁二烯、丁二炔、丁烷；,丁二酸盐、丁二醇；,各种1,4-二羰基化合物。,1. Paal -
27、Knorr反应,Paal-Knorr反应，即各种类型的1,4-二羰基化合物的加成反应。,Example :,PPA: 多聚磷酸脱水剂,底物：一个羰基氧消除，另一个成环中杂氧,该反应的收率高，条件温和，是合成各种类型吡咯、呋喃和噻吩环的重要方法。,2. 1,4-二羰基化合物与含氮化合物的环化反应,1,4-二羰基化合物与氨、碳酸铵、伯胺、芳胺、肼及取代肼、氨基酸等都能反生关环反应，生成吡咯或取代吡咯。,Example 1:,81%86%,Example 2:,80%,3. 1,4-二羰基化合物与P2S5的环化反应,1,4-二羰基化合物(包括-羰基戊酸、丁二酸盐等)与P2S5反应，生成相应的噻吩。,
28、反应中两个羰基氧原子消除,87%,4. 其它4碳原子链状化合物与杂原子的环化反应,二炔化物与H2S在弱碱催化下环化，工业上制备相应的取代噻吩。,50% 87%,R, R = H、烷基、芳基或羧基,4.4.1.3 Yurev 反应 ( Yurev reaction ),以氧化铝为催化剂，可以使呋喃、吡咯、噻吩的环系相互转化。,Example :,Z = NR、S、Se,4.4.2 咪唑环的合成 (Synthesis of Imidazole Ring),咪唑是含有两个氮杂原子的芳香族杂环化合物，与恶唑、噻唑同属1,3-唑类。下面仅讨论咪唑环较为重要的合成方法。,1. 乙二醛-甲醛-氨的环合反应,
29、传统的由乙二醛-甲醛-氨反应形成咪唑环的方法有了许多改进和发展。,Example :,反应形成的手性咪唑羧酸钠可转换为多种重要手性咪唑衍生物。,2. 异腈化合物与伯胺等的环合反应,异腈与伯胺、亚胺和腈等反应可顺利形成咪唑环。,Example 1: 3-溴-2-异腈基丙烯酸甲酯与伯胺常温下反应,双键=Z-构型, R1 = 供电子基，有利于环化,Example 2: 对甲苯磺酰甲基异腈与亚胺在碱作用下反应,改用酮或硫酮与异腈环合，则生成恶唑或噻唑环,3. -取代羰基化合物与伯胺反应，再与甲酰胺环化, - 取代羰基化合物：, 卤代酮、 羟基酮和 氨基酮。, - 取代羰基化合物的环化反应：,Examp
30、le 1: 卤代酮的环化反应,N 烷基化反应,与甲酰胺环合,咪唑环系,Example 2: 羟基酮与甲酰胺的环化反应,咪唑环系,Example 3: 氨基酮与硫氰酸盐、氨基腈的环化反应,2-巯基咪唑,2-氨基咪唑,4. - 氨基缩醛法, - 氨基缩醛与酰胺或亚氨基醚进行缩合环合反应可形成咪唑环。,Example 1: 氨基缩醛与酰胺的缩合环化反应,Example 2: 氨基缩醛与亚氨基醚的缩合环化反应,4.4.3 吡啶环的合成 (Synthesis of Pyridine Ring),吡啶早期主要从煤焦油的分馏中得到。随着石油工业的发展，吡啶及其取代衍生物主要是以石油产品为原料，通过合成方法制
31、备的。,1. Hantzsch反应及其类似物的合成,Hantzsch反应：,-酮酸酯、醛和氨缩合反应,二氢吡啶环系,氧化脱氢,Example: 心脏病的治疗药物心痛定的合成,心痛定,Hantzsch反应应用于药物合成工业的实例。,Hantzsch反应过程：,链状-氨基羰基化合物,分子内加成 - 消除环化,与Hantzsch反应具有类似反应机制的反应：,Hantzsch反应的反应原理具有普适性。以各种不同的羰基化合物为原料按相似的反应机制，建立多种合成吡啶环系的方法。,Example 1: 1,5 二羰基化合物与氨的缩合环化,-氨基羰基化合物,分子内加成 - 消除环化,Example 2: 二羰
32、基化合物与-氰基乙酰胺的缩合环化,2. 扩环重排合成法,含氮的三元环或五元环经分子内重排，扩大环生成六元吡啶环系。,Example 1: 带有烯丙基侧链的氮杂环丙烯分子内重排环化,合成吡啶衍生物的新方法,Example 2: 带有烯丁基侧链的氮杂环丙烯分子内重排环化,R = H 、 CH3,4.4.3 稠杂环化合物的合成 (Synthesis of Five-membered Ring),1. 吲哚的合成,Fischer吲哚合成法：,芳香腙在酸性催化剂的影响下受热，经一系列缩合、重排生成吲哚，称为Fischer吲哚合成。,多聚磷酸、三氟化硼、氯化锌等,常用酸性催化剂：,Fischer吲哚合成反
33、应过程：,2. 喹啉的合成,Skraup喹啉合成法：,苯胺、甘油、硝基苯、硫酸铁、硫酸共热时引起剧烈的放热反应产生喹啉(quinoline)，称为Skraup喹啉合成法。,甘油在酸催化下逐渐释放出丙烯醛，而不是直接使用丙烯醛，防止其聚合,其它,-不饱和醛或酮一般情况下不易生成聚合物，可直接使用。,Skraup喹啉合成反应过程：,Micheal加成,二氢喹啉,温和氧化剂,这是一组衔接良好、配合完善的“一锅法”连续反应，反应容易，收率较高。用取代芳胺代替苯胺，可制备喹啉衍生物。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
