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1、8.3 周环反应的机理和立体化学,例如，Diels-Alder反应就有可能按以下两种不同的机理进行,环加成反应、电环反应以及-迁移重排等反应不仅可以按协同机理进行，也可按分步机理进行,Diels-Alder反应的可能机理,前一机理为协同机理，后一机理为分步的双自由基机理,周环反应机理研究的一个重要内容就是如何区分协同机理和分步机理,区分协同机理和分步机理的方法,活化体积的测定(见节),动力学同位素效应的测定(4.1节),用电子自旋共振检测自由基中间体(6.2节),研究反应的立体化学,如果反应按协同机理进行，由于分子轨道对称守恒的要求，反应往往具有高度的立体选择性,本节根据周环反应的普遍规则，讨
2、论环加成反应，电环反应和-迁移重排反应的机理和立体化学,8.3.1 环加成反应,(1)2+2环加成反应,乙烯及其衍生物之间通过2+2环加成形成环丁烷及其衍生物的反应通常难以进行,如果反应按同面-同面 方式进行是对称性不允许的,如果反应按同面-异面 的方式进行，轨道之间空间上又难以接近,如果烯烃双键上基团的位阻非常小，也可发生协同方式的 环加成，即一个组分以异面的方式参与反应,烯酮衍生物R1R2C=C=O分子中的一个双键碳原子以sp杂化与氧相连，位阻小，是一个理想的异面组分，与烯烃加成生成环丁酮衍生物,反应生成烯烃碳原子构型保持的产物，表明反应为协同反应,二苯基烯酮与取代苯乙烯加成生成环丁酮衍生
3、物,S=84Jmol-1K-1,0.73,反应无明显的溶剂效应,协同机理？分步机理？,(2)2+4环加成反应,2+4环加成反应中最著名就是Diels-Alder反应,以同面方式进行的2+4环加成反应是基态允许的反应，生成稳定的环己烯衍生物，反应可以在温和的条件下进行,数以千计的Diels-Alder反应的结果表明，反应具有高度的立体选择性，得到二烯和亲二烯试剂碳原子构型保持的产物,说明在绝大多数场合，反应是按协同机理进行的,环状二烯与亲二烯试剂加成时，生成两种立体异构的产物,亲二烯试剂上的取代基与环己烯分子中新生成的碳-碳双键互为顺式，称为内型(endo)产物,亲二烯试剂上的取代基与环己烯分子
4、中新生成的碳-碳双键互为反式，称为外型(exo)产物,内型规则(endo rule),当环状二烯与含不饱和基团的环状亲二烯试剂反应时，产物往往以内型为主,例如，以上反应内型产物占绝对优势，外型产物的比例1.5%,环二烯与开链的亲二烯试剂反应时，则不一定遵守内型规则,例如环戊二烯与2-取代丙烯酸的加成反应,Woodward和Hoffmann认为，内型规则可以用前线轨道理论解释,Diels-Alder反应中，二烯组分通常有供电基，亲二烯试剂通常含吸电基,过渡态二烯的HOMO轨道与亲二烯试剂的LUMO轨道作用比较合理,按内型规则反应，过渡态二烯组分HOMO轨道与亲二烯试剂LUMO轨道的作用如下图所示
5、,按形成外型产物的方式反应，过渡态二烯组分的HOMO与亲二烯试剂的LUMO轨道的作用如图所示,次级轨道相互作用解释内型规则,在上图a中，除了正常的轨道相互作用外，亲二烯试剂分子中不饱和基团的p轨道与二烯的HOMO轨道之间还可以发生“次级轨道相互作用”(secondary orbital interaction)，降低过渡态的能量,正是因为这种次级轨道相互作用才导致含不饱和基团的亲二烯试剂与环二烯加成时服从内型规则,对于某些Diels-Alder反应，实验测定的活化体积V比反应的体积变化V0还要负,这是过渡态存在次级轨道相互作用的实验证据(2.6.3节),1,2-和1,4-位取向,Diels-A
6、lder反应的另一立体化学特征,含有取代基的二烯组分与亲二烯试剂反应时，通常生成取代基互为1,2-位或互为1,4-位的产物,为什么当R1为羧酸盐时1,3-位产物比例增加?,这一位置选择性可用前线轨道的轨道系数解释,1,2-位取向,1,4-位取向,二烯与亲二烯试剂反应时，轨道系数大的原子倾向于与轨道系数大的原子结合。因而主要生成1,2-和1,4-位产物,1,3-偶极环加成,1,3-偶极环加成是具有偶极特征的三原子四电子体系与烯烃的加成，是一类重要的2+4环加成反应，在合成中有广泛的应用,例如，由硝基烯与亲二烯试剂加成可合成氮羧酸酯，氮羧酸酯又可作为四电子三中心体系与亲二烯试剂发生环加成，生成双环
7、化合物,解释以下反应的机理,烯烃的臭氧分解实际上也是通过1,3-偶极环加成反应和逆-1,3-偶极环加成反应进行的,反应过程可表示如下,8.3.2 电环反应,电环反应包括电环闭环和电环开环，二者互为逆反应，可用以下反应通式表示,式中n表示体系的碳原子数,电环反应的平衡偏向于哪一方取决于反应物和产物的结构和相对稳定性,例如，己三烯(n=4)闭环生成稳定的环己二烯，平衡偏向于闭环一方,而丁二烯闭环生成张力大的环丁烯，平衡偏向于开环一方,(1)环丙体系的开环,环丙基正离子、负离子和自由基开环的轨道相关图如下图所示,讨论环丙基正、负离子开环的方式,由图可见，对于环丙基正离子，对旋开环是对称性允许的反应,
8、对于环丙基负离子，顺旋开环为对称性允许的反应,对于环丙基自由基的开环，由轨道相关图不能作出明确结论,环丙体系环张力大，经由环丙基正离子的反应很容易通过电环开环生成烯丙基正离子,对旋？顺旋？,氮杂环丙烷的开环,以下氮杂环丙烷衍生物在100下开环，产生的中间体与2-丁炔二酸二酯发生1,3-偶极环加成，立体专一的生成五元氮杂环衍生物,顺旋？对旋？为什么？,氮杂环丙烷由于氮原子上有孤电子对与环丙基负离子具有等电子结构，因此按顺旋方式开环,(2)环丁烯的开环,由于环张力的存在，环丁烯的开环也是热力学上有利的反应(G0 0),根据周环反应的普通规则，环丁烯顺旋开环可表示为,是对称性允许的反应,对旋开环可表
9、示为，对称性不允许,顺旋?对旋？,例如，顺-3,4-二甲基环丁烯开环生成E,Z-2,4-己二烯,而反-3,4-二甲基环丁烯开环生成E,E-2,4-己二烯,丁二烯衍生物9在加热的条件下可转变成异构体10，但是，即使将9在124加热51天，也不能检测到异构体11和12，为什么？,分析,反应可能按以下电环闭环和电环开环的途径进行,单环环丁烯衍生物容易开环，而二环3.2.0庚-6-烯在260下仍能稳定存在，为什么？,分析,因为对称性允许的顺旋开环会导致生成含有反式双键的环烯烃，立体化学上不利，而对旋开环又是对称性不允许的,(3)戊二烯体系的闭环,戊二烯基正离子和负离子很容易闭环形成稳定的五元环产物,例
10、如，戊二烯醇17a和17b在强酸中质子化脱羟基形成戊二烯正离子，后者立体专一地闭环形成五元环产物,顺旋?对旋？,戊二烯基负离子18闭环生成顺式稠合的桥环化合物,顺旋?对旋？,根据分子轨道对称守恒原理，戊二烯基正离子的闭环应按顺旋方式进行，戊二烯基负离子的闭环应按对旋方式进行,实验结果与理论预测的一致,(4)形成六元及六元以上环的闭环反应,根据周环反应的普遍规则，己三烯对旋闭环可表示为，是对称性允许的反应,顺旋闭环则为，对称性不允许,E,Z,E-辛-2,4,6-三烯(19)在130发生闭环反应，生成顺-5,6-二甲基-环己-1,3-二烯(20),对旋？顺旋？,解释以下反应：,分析,反应由辛四烯的
11、顺旋闭环和产物环辛三烯的对旋闭环两步构成,8.3.3-迁移重排,常见的迁移重排有1，n迁移，3，3迁移，5，5迁移等,对于1，n迁移来说，当n为奇数时，涉及的是中性分子的迁移重排，例如1，3迁移，1，5迁移，1，7迁移等,当n为偶数时，则为正、负离子的迁移重排，例如碳正离子的1，2迁移重排,1，n-迁移重排实际上是键沿体系的迁移,根据同面、异面的概念，有四种可能的迁移方式,迁移基团R的立体化学与迁移方式有关，可能是保持的，也可能是转化的,(1)1,3 迁移,对于1,3氢迁移，氢以s轨道成键，组分只能以同面方式迁移，只有两种可能的迁移方式,其中第一种迁移方式是对称性禁阻的,第二种迁移方式是对称性
12、允许的，但要求氢从体系的一面迁移到另一面，空间上无法接近,因此，氢的1，3-迁移很难发生,实验结果与理论预测的一致。通常情况下，烯烃的双键在500以下是不会发生1，3迁移的,例如，乙酸酯28热解产物29是甲苯的同分异构体，但即使在350的高温反应条件下，29也能够稳定存在，不会经1,3氢迁移转变成稳定的甲苯分子，充分说明了1，3氢迁移难以发生,1,3-碳迁移反应四种可能方式中，以下两种方式是对称性允许的,第一种方式要求迁移基团R以构型保持的方式从体系的一面迁移到另一面，立体化学上非常不利,第二种方式要求迁移基团R以构型转化的方式在体系之内进行同面迁移，是1，3碳迁移唯一可行的方式。实验结果与此
13、推测一致,开链烃的烷基很少发生1，3迁移,在一些张力较大的环状体系中，如果迁移可以缓解环的张力，常发生1，3-碳迁移反应，在这些反应中，迁移基团大多是构型转化的,1,3-烷基迁移的实例1,1,3-烷基迁移的实例2,(2)1,5-迁移,与1,3-氢迁移不同，同面的1,5-氢迁移是对称性允许的反应,对称性允许的1,5-氢迁移,以上1,5-氢迁移反应的动力是什么？,因此，1,5-氢迁移反应是常见反应，含有戊二烯体系的分子可通过1，5-氢迁移转变成更稳定异构体,同面-同面的1，5-碳迁移也是对称性允许的反应,与1,3碳迁移不同，1,5碳迁移反应中，迁移基团R的构型是保持的,研究环戊二烯衍生物和茚衍生物
14、中基团发生1,5 迁移重排反应的倾向发现，羰基和羧基最容易发生迁移，其次为氢,例如，茚的酰基衍生物36在140下发生迁移重排，生成更稳定的,-不饱和酮衍生物37,1,5酰基迁移和1,5氢迁移,机理？,(3)1,7氢-迁移,同1,3氢迁移类似，同面的1,7氢迁移也是对称性禁阻的，只有氢从体系的一面迁移到另一面的异面迁移才是对称性允许的,与1,3氢迁移不同，在1,7氢迁移的情况下，分子碳链足够长，氢从体系的一面迁移到另一面的异面迁移立体化学上是允许的,因此，1,7氢迁移是常见的氢迁移反应。例如，在生物体内，维生素D3的前体40转变成维生素D3(41)的反应被认为是按1,7氢迁移的机理进行的,(4)
15、3,3迁移,3,3-迁移重排是一类常见的重排反应，其中典型的反应有Cope重排和Claisen重排,根据周环反应的普遍规则，3,3迁移可以通过两种不同的对称性允许的方式进行，分别经由类椅式过渡态和类船式过渡态,研究Cope重排的立体化学发现，反应按类椅式过渡态进行,高度的立体选择性也表明反应是按协同机理进行的,烯丙基乙烯基醚通过3，3迁移重排成,-不饱和酮的反应称作Claisen重排反应，可在温和条件下进行,烯丙基苯基醚的3,3迁移也是常见的Claisen重排,初始产物环己二烯酮在酸或碱的催化下异构化为苯酚衍生物，苯酚本身的酸性足以催化这类异构化反应,反应中，烯丙基迁移至邻位，称作邻位Clai
16、sen重排,有时烯丙基也可迁移至苯环对位，特别是当邻位已有取代基时，例如,为了与邻位Claisen重排相区别，称这类反应为对位Claisen重排,邻位Claisen重排反应中，烯丙基发生重排，在对位Claisen重排反应中，得到的是烯丙基未重排的产物,研究发现，对位Claisen重排实际上是经由邻位Claisen重排和Cope重排两步反应完成的,反应中烯丙基经过两次重排，因而得到烯丙基未重排的产物,这一机理得到若干实验事实的支持。例如，在46的重排反应中加入顺丁烯二酸酐，可以捕获第一步邻位Claisen重排的中间体,习题10,1.all-cis-1,3,5,7-Cyclononatetraen
17、e can theoretically undergo three different electrocyclic ring closures.Draw the product of each of these reactions,determinethe stereochemistry of each when it is obtained under thermal conditions,and order the products by thermodynamic stability.,2.When ketenes react with 1,3-dienes,bicyclic cyclo
18、butanones are obtained.The mechanism of this reaction is usually described as a one-step 2+2 cycloaddition reaction,but the following two-step mechanism was recently proposed,(a)Name the two steps of the proposed mechanism.,(b)When an unsymmetrically substituted ketene(RL)(RS)C=C=O)is used in this reaction,the larger group(RL)is found in the more sterically hindered endo position in the ultimate product，as shown here.Use the proposed mechanism to explain(in words and pictures)this phenomenon.You will need to look at the stereochemical result of both steps of the mechanism.,
