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周环反应

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第十七章 周环反应

一、 基本内容

1.周环反应是指在反应进程中,键的断裂与形成是以一个闭合环状过渡态、相互作用的轨

道中的电子对重新组合为特征的协同反应。也就是说,键的断裂与形成都在一个闭合环状过渡态中进行。因此,周环反应具有如下特点:(1)反应进行时,有两支以上的键几乎同时断裂或形成。(2)反应具有高度的立体选择性。(3)反应进行的动力是加热或光照。

2.周环反应主要有三大类型:电环化反应、环加成反应和σ-迁移反应。

二、 重点与难点

由周环反应的定义和特点可知,对分子轨道理论、过渡态及立体化学的理解和相关知识的运用是非常重要的。本章特别强调对前线轨道理论在电环化反应中的运用。本章的难点是合理地写出一具体反应的合理的反应产物,这要求对轨道的对称性及过渡态的能量加以合理的分析和判断。

三、 精选题及其解

17-1 预测下列化合物电环化时产物的结构:

说明:

我们以本题为例来探讨一下如何运用前线轨道理论,以及如何对反应加以正确的分析、写出合理的产物。题(1)是电环化反应。在反应条件下,反应物A有开环和关环两种反应

1 途径。关环反应的π电子数由反应物决定,为4π电子体系;开环反应的π电子数由产物决定为6π电子体系。关环反应产物B 极不稳定(中间的四元环的两支σ键互为反式),说明形成该产物的过渡态的能量极高,反应不能进行。因此,该反应经对旋开环形成产物C 。若要验证一下答案的正确性,可将化合物C 在同样条件下的关环产物写出,如果写出的产物是A,说明答案是正确的。因为,由A 到C 和由C 到A 的变化的过渡态是一样的。 17-2 用前线轨道理论解释17-1(1)的产物的正确性。

解 先画出化合物C 的π分子轨道如下:前线轨道分别为最高占有轨道HOMO 和最低空轨道LUMO 。电环化反应轨道对称性取决于最高占有轨道的对称性。

如用下图表示A 由到B 的关环反应的过渡态,可以看出标记为a 的那支碳碳键需跨面形成,这对小环化合物是不可能的。

(1)

(2)

(3)

H

H

H CH 3

H CH 3

H CH 3

H CH 3

(4)

(5)

3

3

17-3 预测下列化合物环加成时产物的结构:

说明: 本题所涉反应均为环加成反应。(1)提示典型的D-A (狄尔斯-阿尔德)反应。产物中不排除一分子丁二烯和一分子对苯醌所形成的环加成产物。(2)可生成两种产物,由电子效应可知,双烯体富电子一端的碳原子和亲双烯体缺电子一端的碳原子成键是有利的,因此所给产物是主要产物。(3)为〔4+6〕环加成反应。(4)为以1,3-偶极离子作为双烯体的环加成反应,也称为1,3-偶极加成反应。 17-4 马来酸酐和环庚三烯反应,给出的产物如下。试说明生成这个产物的合理性。 3

解 环庚三烯先经电环化反应生成A 。A 再和马来酸酐经环加成反应生成所给出的产物。 17-5 指出下列反应过程所需的条件。

(2)

(1)

H 3C

CHO

Ph Ph

C

N N

Ph

O

Ph

H H

+(3)

+(4)

N N

Ph

Ph

Ph

Ph

(4)

(3)

+

O O

O

解 17-7 自选原料通过环加成反应合成下列化合物。 解

5 17-8 加热下列化合物会发生什么样的变化?

说明 本题所涉的反应为柯普(Cope)重排,

即[3,3]σ迁移。(1)题的[3,3]σ迁移理想上还可得另一产物,如下式所示。但该产物在一个八元环里存在两个反式碳碳双键,能量极高,难以生成。 17-9

下面的反应按光化学进行时,反应产物可得到哪一种(I或

II )?

解 (1)的产物为I。电环化反应

,4π电子体系,光照对旋关环。

(2)的产物为II 。电环化反应,6π电子体系,光照顺旋关环。

17-10 通过怎样的过程和条件

,下列反应能得到给出的结果。

?

(1)

(2)

R

(1)

(2)

R

R

(1)

hν

(1)

hν

(2)

17-11 通过什么方法把反-9,10-二氢萘转化为顺-9,10-二氢萘。

17-12 完成下列反应:

7 解

Ph

Ph

X

O O

H

H

顺旋开环

对旋关环

(1)

(2)

(3)

R

(5)

(6)

OHC

HO

(7)

CH CH 3

(9)

B

O O

CH 3S

SCH 3

3A

O

O

S S

CS 2/碱

O

O

解 双硫负离子A 和烯丙基氯反应先生成化合物C,化合物C 经[3,3]σ迁移转化为化合物D 。此例说明, [3,3]σ迁移反应不仅涉及到碳碳键和碳氧键(如克莱森重排)的迁移,对于能满足1,5-二烯结构、碳链上连有其它杂原子的体系也是可能的,具体情况要具体分析。 17-14 丁二烯在波长220-250nm 的光的照射下,可直接得到光化反应产物,而在波长大于

400nm 的光的照射下必须加入少量丁二酮才能得到光化反应产物,解释上述事实并说明丁二酮在这里的作用。

解 丁二烯在波长220-250nm 的光的照射下可以被激活,从而得到光化反应产物。丁二

烯在波长400nm 的光的照射下不能被激活,但丁二酮在此波长下可被激活,被激活的丁二酮通过把能量传递给丁二烯,才能使丁二烯得到光化反应产物。在此反应中,丁二 9 酮起光敏剂的作用。

17-15 有一称为类卓的化合物A,其低温1HNMR 谱足以使波谱数据符合该化合物有四个

烯氢、两个烯丙基氢和三个环丙基氢。当温度升高时观测到有两个烯氢的化学位移基本不变,但另外两个烯氢和三个环丙基氢的吸收峰合并了,请给予以解释。

解 类卓是一容易发生[3,3]-σ迁移反应的化合物。温度较低时反应速度慢, 1HNMR 谱足以使波谱数据符合该化合物的结构特征。随着温度的升高,迁移反应的速度加快,因重排产物和反应物的结构是相同的, 1HNMR 谱给出的是一动态平衡的测定结果。

17-16 狄尔斯-阿尔德(Diels-Alder)反应对溶剂的极性不敏感,在反应中有明显的立体化学

保持的特点-顺式取代的亲双烯体总是得到顺式取代的环己烯,反式取代的亲双烯体总是得到反式取代的环己烯(如下式所示),请给与解释。

解 可用前线轨道的对称性对如上反应的立体化学加以解释:以(1)为例。

D

C

O O

S

S +

O

O

S

S

A

类卓

o

(1)+

+

(2)

形成过渡态时,要求对称性相同的轨道重叠,也就是说,反应物的立体化学特征是保持的。从成键过程中分子轨道的重叠过程可明显看出其立体化学过程的特征。

3

3

高等有机第九章 周环反应(协同反应)

第九章周环反应(协同反应) 协同反应——(1)此类反应中无产生离子或自由基等中间活性体 (2)不受催化剂或溶剂的影响 (3)键的生成和断裂在一步中完成 (4)可在热和光照下反应 (5)立体专一性反应 由于反应的过渡态是一环状结构,所以也称为周环反应。 周环反应是以轨道对称守恒原理为基础的,由Woodward提出。 第一节分子轨道对称守恒定律 1、术语: 以乙烯分子为例: 2 1反键轨道 成键轨道 分子轨道 用波函数来表示: 对乙烯分子π轨道来说,它有一个对称因素:为面对称(成键轨道S),而对反键轨道来说是反对称(A) C1 对称:Symmetry波函数的数学符号相同,S 面:对映关系 轴:转180° 反对称:Antisymmetry波函数的数学符号相反,A 轴C1:二个碳原子的连线 轴C2:两个平面乙烯面与m平面的交线 节点:将符号相同的波函数相连与C1轴的交点 乙烯的π型分子轨道、节点数和对称性总结为: 反键轨道 成键轨道 轨道节点数对称性2 1 1 m C2 A S S A 节面 节点的物理意义:(1)节点越多,说明该轨道的能级越高不安定因素 (2)节点处的电子密度等于零 对Ψ1来说:是π电子的最高占有分子轨道(HOMO)high occupied molecule orbit *不是说满轨道,只要有一个也是占有 最高占有轨道的电子束缚得最松弛,具有给电子的性质,最易激发到最低空轨道,因此这二个轨道为Ψ2是最低的空分子轨道(LUMO)low unoccupied molecule orbit 前线轨道

(前沿轨道)对电子的亲和力较强,具有接受电子的性质 丁二烯的分子轨道及其对称性: 节点数 对称性 m C 2 3210 A S S A A S S A 4321 己三烯的分子轨道及其对称性 4 321 65 节点数 对称性 m C 2 543210 A S S A A S S A A S S A 当最高轨道HOMO 的电子受到光的吸收光子的能量发生跃迁,到最低空轨道时,那时该轨道就变成HOMO 了 基态:未激发的HOMO 激发态:激发的HOMO ,相当于LUMO 第二节 电子反应中的轨道对称守恒原理 电环反应中的两种反应形式: 1、热化学:是反应物分子处于基态所发生的反应 HOMO 2、光化学: 激发态所发生的反应 LUMO 一、丁二烯和环丁烯的电环反应 h γ γLUMO HOMO

第十七章 周环反应

周环反应精选题及其解 1. 预测下列化合物电环化时产物的结构: 解 说明: 我们以本题为例来探讨一下如何运用前线轨道理论,以及如何对反应加以正确的分析、写出合理的产物。题(1)是电环化反应。在反应条件下,反应物A有开环和关环两种反应 1 途径。关环反应的π电子数由反应物决定,为4π电子体系;开环反应的π电子数由产物决定为6π电子体系。关环反应产物B 极不稳定(中间的四元环的两支σ键互为反式),说明形成该产物的过渡态的能量极高,反应不能进行。因此,该反应经对旋开环形成产物C 。若要验证一下答案的正确性,可将化合物C 在同样条件下的关环产物写出,如果写出的产物是A,说明答案是正确的。因为,由A 到C 和由C 到A 的变化的过渡态是一样的。 2. 用前线轨道理论解释17-1(1)的产物的正确性。 (1) H CH 3H CH 3 (2) (3) H 3H 3 hν (1) (2) (3) H H H CH 3 H CH 3 H CH 3 H CH 3 (5) CH 3 H CH 3 H (4) (4) (5) 3 3 (1) H H H H 看成4π电子体系 A B 对旋开环 C

解 先画出化合物C 的π分子轨道如下:前线轨道分别为最高占有轨道HOMO 和最低空轨道LUMO 。电环化反应轨道对称性取决于最高占有轨道的对称性。 如用下图表示A 由到B 的关环反应的过渡态,可以看出标记为a 的那支碳碳键需跨面形成,这对小环化合物是不可能的。 2 3. 预测下列化合物环加成时产物的结构: LUMO HOMO C 的HOMO 对旋 A O + (1) H 3C CHO + (2)

第十七章-周环反应练习及答案

第十七章 周环反应 1. 推测下列化合物的电环时产物的方法。 (1) (2) H H H 3C CH 3 H H H 3C CH 3 (3) (4) (5) C 3H H C 3H H 答案: (2) H H CH 3CH 3 (3) H H CH 3CH 3 对旋 hv (4) (5) CH 3 H CH 3H 3 3 3 2.推测下列化合物的环加成时产物的结构: (1) + O O (2) R + X (3) +O (4) N C + N -Pb Ph + C C Ph Ph H H

答案: + O O (1) O O (2) R + X R X + (3) + O (主)( 次) O (4) N C + N -Ph Ph + Ph Ph N N Ph Ph Ph Ph 3.马来酸酐和环庚三烯反应的产物如下,请说明这个产物的合理性。 + O O O O O O H H H H 答案: O O O H H

4.说明下列反应过程所需的条件: (1) H H H (2) 答案: H H H H (2) 5.说明下列反应从反应物到产物的过程: R H D D ? D H D R 答案:

D H D R 1,3 H D D R 1,3 6.自选原料通过环加成反应合成下列化合物。 O (1) O CHO (2) 答案: O O (1) O CHO (2) + O O O + O 7.加热下列化合物会发生什么样的变化? R (2) 答案:

R (2) 8.下面的反应按光化学进行时,反应产物可得到哪一种(Ⅰ或Ⅱ)? (1) hv 或 (2) hv 或 II I I I 答案: (1) hv (2) hv I I I 对旋 9.通过怎样的过程和条件,下列反应能得到给出的结果。 Ph Ph 答案:

第十七章周环反应

第十七章 周环反应 我们学过了离子型反应、游离基反应。这些反应过程是分步进行的,首先形成正离子、负·或游离基。然后再完成反应。但在某些情况下,反应并不是按照这种机理进行的,如下面的例子: 例1. 33175℃ CH 3 H CH 3 H 顺-3,4-二甲基环丁烯在加热时生成(Z ,E )-2,4-已二烯,纯度达99.995%,立体取向极高。按照常理,(E ,E )式应该更加稳定,此反应中为什么不形成更稳定的(E ,E )产物? 例2 △ C 6H 5 H C 6H 5 H 6H 5H 5 用较大的苯基取代了原来的甲基,但产物的立体选择性仍高达99%,也不生成更稳定的(E ,E )产物,这什么? 例3. 2CH 32CH 3 CO 2CH 3 H CO 2CH 3 H 120℃10min 该例中,取代基的电性发生了改变,为什么也不生成更稳定的(E ,E )产物? 上述问题通过取代基的立体效应都不能说明。1965年,伍德沃德和霍夫曼提出协同反应中轨道对称性守恒原则,并根据这一原则预测协同反应能否进行及其立体化学特征,即在有些反应中起关键作用的是轨道的对称性。伍德沃德和霍夫曼和工作是近代有机化学中的重大成果之一。此后,日本科学家福井谦一提出了前线轨道理论,为此霍夫曼和福井谦一共同获得了1981年诺贝尔化学奖。 有机反应可归纳为两大类: 一类是通过活泼中间体,如碳正离子、负离子、游离基进行的反应; 另一类是通过一个环状过渡态完成的,反应过程中键 的形成和断裂是协同进行的,称为周环反应。 周环反应包括三种类型:电环化反应,环加成反应和σ迁移反应。 周环反应有以下重要特征: ⑴反应在加热或光照条件下进行,很少受溶剂极性、酸碱催化剂、游离基引发剂 的影响。 ⑵ 反应过程中旧键的断裂和新键的形成是同时进行的,即反应是按协同方式进行的,形成了一个环状过渡态。所以在反应的过程中,没有离子或游离基形成。

第十六章周环反应

第十八章分子轨道理论简介 一、教学目的和要求 (1)了解分子轨道理论的原理。 (1)了解周环反应的一般规律。 (2)了解分子轨道对称守恒原理在有机合成中的作用。 二、教学重点与难点 分子轨道理论的原理,周环反应的理论。 三、教学方法和教学学时 1、教学方法:以课堂讲授为主,结合必要的课堂讨论。教学手段以板书和多媒体相结合。 2、教学学时:2学时 四、教学内容 第一节电环化反应 第二节环加成反应 第三节σ迁移反应 第四节周环反应的理论 一、电环化反应机理 二、环加成反应机理 三、σ键迁移反应机理 五、课后作业、思考题 习题:1、2、4、6、11。 §18-1 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: (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。 CHO + CHO R h υ R = -COOCH 3 成键轨道 原子轨道 X 1 2

第十七章 周环反应

第十七章周环反应1.完成下列反应: 3 3 H H CH3 CH3 hv ? (1) (2) (3) hv ? C C H3C H 3 2 (4) (5)+O O O 室温 ?150℃? C O O C ? H3C ? Δ (6)? Δ O CH2CH2CHCH3 (7) CH2+ C C CO 2 CH3 CO2CH3 Δ ? ? (8) 2.用前线轨道理论解释下列反应在加热条件下(1)是可以发生的,(2)是不能发生的。 Δ CH2+ C C CO2CH3 CO2CH3 (1) CO2CH3 CO2CH3 + C C CO2CH3 CO2CH3 (2)CH2 3.乙烯与丁二烯在175℃及高压下反应,得到以下产物:环己烯(85%),4-乙烯基-1-环己烯(12%)及乙烯基环丁烷(0.02%)。写出反应式,并指出为何乙烯基环丁烷产率极低。 4.为何双环庚二烯在光照和加热条件下的产物不同?

+ HC CH 5.下列重排得到产物(A )和(B ),它们是如何产生的?画出分子轨道的变化。 + 3 33 C 2H H 3C 2H (A)(B) 6.解释下列的重排反应: * O *OH 7. 解释下列反应机理: Δ C C NC CN + 8.2,3-二甲基-1,3-丁二烯和乙炔二羧酸加热后,得到一个产物,其分子式为C 16H 20O 3(A ), 含有两个双键。(A )在丙酮中经光照加热后得出一个(A )的异构体(B ),但不含双键,探讨(A )及(B )的结构。 hv Δ C C HOOC +H 2C CH 3CH 2CH 3C 16H 20O 3 C 16H 20O 3 (A) (B)

有机化学(曾昭琼高教四版)课后习题答案17第四版-第十七章-周环反应-习题解答

第十七章 周环反应 问题和习题解答 (曾昭琼主编,有机化学,2004 第四版,下册P198-201) (井冈山学院化学系,方小牛提供) 1. 推测下列合物电环化时产物的结构: (1) (2) CH 3CH 3 (3) CH 3CH 3 hv (4) (5) CH 3 H H CH 3 2. 推测下列环加成反应的产物的结构: 3. 马来酸酐和环庚三烯反应,给出的产物如下。试说明这个产物的合理性。

环庚三烯的Π电子是4n+2体系,加热是进行对旋电环化,然后再与马来酸酐进行(4+2)环加成反应,由于环状二烯的LUMO相互作用,可产生对称性允许的次级效应,有利于形成内型过渡态,最后生成内型产物。 4. 指出下列反应过程所需的条件。 5.试说明下列反应从反应物到产物的过程: R D H R D D H [1,5]C[1,5]C 该反应是反应经过两次碳的(1,5)同面迁移,且C*构型保持。 6.自选材料通过环加成反应合成下列化合物。

7.自选材料通过 环加成反应合成下列化合物。 (1)(2) 8.下面的反应按光化学进行时,反应产物可得到哪一种(I 或II)? 解:(1)反应物Π电子数属4N体系,光照下对旋是允许的,产物是I。(2)反应物中起电环化反应的Π电子数属4N+2体系,光照下顺旋是允许的。产物是II。 9.通过怎样的过程和条件,下列反应能得到给出的结果。

10.通过什么办法反-9,10-二氢萘转化为顺-9,10-二氢萘 ? 11.确定下列反应在加热反应时所涉及的电子 数。 6个 p 电子电环化反应 4个 p 电子电环化反应 [14+2]环加成 12.解释下列现象: (1) 在狄尔斯-阿尔德反应时,2-叔丁基-1,3-丁二烯反应速率比1,3-丁二烯快许多 。 (2) 在-78℃时,下面反应(b)的反应速率比(a)快1022倍。 N N N N + N 2 (a) N N + N 2 (b) (3) 化合物 重排成甲苯放出大量的热,但它本身却相当稳定。

16 周环反应问题参考答案

问题1 (Z,E)-1,3环辛二烯在加热时发生电环化反应,正反应生成的四元环张力大,但反应仍能进行,试解释原因。 顺旋 80 ℃ 讨论:(Z,E)-1,3环辛二烯在加热时发生电环化反应,表面上看,正反应生成的四元环张力大,逆向开环反应更容易进行,其实不然。因为加热开环只有顺旋是对称性允许,顺旋开环形成的共轭双键是E 、Z 型,能量高,不稳定,因此在基态情况下,主要得到关环产物。光照情况下,分子处于激发态,对旋开环允许,反应得到较稳定的(Z,Z)-1,3环辛二烯。 顺旋 (Z,E)-1,3环辛二烯 对旋 (Z,Z)-1,3环辛二烯 问题2 简单的烯烃在加热时不能生成环丁烷衍生物,复杂的烯烃在加热时能否生成环丁烷衍生物?其反应机理是否都相同? 讨论:简单的烯烃在加热时不能生成环丁烷衍生物,复杂的烯烃在加热时却有可能生成环丁烷衍生物,但反应机理不是协同反应。如丙烯腈容易二聚生成顺-和反-1,2-二氰基环丁烷,多氟烯烃在比较温和的条件下就能起环加成反应,但这些反应已证明不是协同反应。 H 2C CHCN 2 +F 2C CCl 2 2Cl 2 Cl 2F 2F 2 问题3 1,3-偶极化合物具有一个三原子四电子的π体系,它与烯丙基负离子具有类似的分子轨道,它的HOMO 的对称性和普通的双烯相同,因此,1,3-偶极化合物和烯烃、炔烃或相应衍生物生成五元杂环的环加成反应和Diels-Alder 反应十分类似。试分析下列化合物的1,3-偶极体和亲偶极体各是什么?

O N R'R 6H 5N R' R R'''N N R'R 6H 5S N R' R S R''(1) (2)(3)(4) 讨论: 上述化合物的1,3-偶极体均为 亲偶极体分别为: (1) (2)(3)(4)C 6H 5CHO R''C C R"'C 6 H 5N O S C S 问题4 5-氘代-5-甲基环戊二烯在加热条件下可以得到几个异构体?指出得到这些异构体的反应途径,写出这些异构体的名称。 讨论:可以得到四个异构体。产生这些异构体的反应途径如下: H 3 D[1,5]σ同面迁移 Δ D[1,5]σ同面迁移 Δ D[1,5]σ同面迁移 Δ D[1,5]σ同面迁移 Δ 1 2 34 四个异构体的名称如下: 1. (S)-5-氘代—1-甲基环戊二烯 2. (S)-5-氘代—2-甲基环戊二烯 2. (R)-5-氘代—2-甲基环戊二烯 4. (R)-5-氘代—1-甲基环戊二烯 R C N H C R'_+

周环反应

第十七章 周环反应 一、 基本内容 1.周环反应是指在反应进程中,键的断裂与形成是以一个闭合环状过渡态、相互作用的轨 道中的电子对重新组合为特征的协同反应。也就是说,键的断裂与形成都在一个闭合环状过渡态中进行。因此,周环反应具有如下特点:(1)反应进行时,有两支以上的键几乎同时断裂或形成。(2)反应具有高度的立体选择性。(3)反应进行的动力是加热或光照。 2.周环反应主要有三大类型:电环化反应、环加成反应和σ-迁移反应。 二、 重点与难点 由周环反应的定义和特点可知,对分子轨道理论、过渡态及立体化学的理解和相关知识的运用是非常重要的。本章特别强调对前线轨道理论在电环化反应中的运用。本章的难点是合理地写出一具体反应的合理的反应产物,这要求对轨道的对称性及过渡态的能量加以合理的分析和判断。 三、 精选题及其解 17-1 预测下列化合物电环化时产物的结构: 解 说明: 我们以本题为例来探讨一下如何运用前线轨道理论,以及如何对反应加以正确的分析、写出合理的产物。题(1)是电环化反应。在反应条件下,反应物A有开环和关环两种反应 1 途径。关环反应的π电子数由反应物决定,为4π电子体系;开环反应的π电子数由产物决定为6π电子体系。关环反应产物B 极不稳定(中间的四元环的两支σ键互为反式),说明形成该产物的过渡态的能量极高,反应不能进行。因此,该反应经对旋开环形成产物C 。若要验证一下答案的正确性,可将化合物C 在同样条件下的关环产物写出,如果写出的产物是A,说明答案是正确的。因为,由A 到C 和由C 到A 的变化的过渡态是一样的。 17-2 用前线轨道理论解释17-1(1)的产物的正确性。 解 先画出化合物C 的π分子轨道如下:前线轨道分别为最高占有轨道HOMO 和最低空轨道LUMO 。电环化反应轨道对称性取决于最高占有轨道的对称性。 如用下图表示A 由到B 的关环反应的过渡态,可以看出标记为a 的那支碳碳键需跨面形成,这对小环化合物是不可能的。 2 (1) (2) (3) H H H CH 3 H CH 3 H CH 3 H CH 3 (4) (5) 3 3

第九章周环反应习题答案

第九章周环反应习题答案 9-1写出下列反应的反应产物。 解 主要产物位阻太大,不易生成 9-2写出下列反应的反应条件及产物的名称。 解(ⅰ)加热(Z)-二环〔4.2.0〕辛-7-烯 (ⅱ)①光照②加热(E,E)-辛-3,5-二烯

9-3完成下列反应。 解 9-4比较下列化合物与1,3-丁二烯发生D-A反应的活性大小顺序。 解(ⅰ)>(ⅱ)>(ⅳ)>(ⅲ) 9-5比较下列化合物与环己烯发生D-A反应的活性大小顺序。 解(ⅳ)>(ⅱ)>(ⅰ)>(ⅲ)

9-6写出下面反应的反应产物,用前线轨道理论予以解释。 解反应产物: 反应物是取代的单烯烃,光照下发生〔2+2〕环加成反应。激发态下的前线轨道: 激发态时的HOMO 基态时的LUMO 对称性相合,可生成三种产物。 9-7写出下面反应的反应产物,用前线轨道理论予以解释为什么得此产物。 解反应产物: 戊二烯基正离子的π分子轨道和在基态时的电子排布如下:

9-8用前线轨道理论分析下列反应是在加热下还是光照下发生。 解(ⅰ)反应须在光照下进行。 基态电子的排布丁二烯的π分子轨道丁二烯的π分子轨道激发态电子的排布根据前线轨道理论,环加成反应在光照下进行,必须是一分子的激发态的HOMO与另一分子的基态的LUMO相作用,由上图可以看出它们的对称性是相合的。 (ⅱ)反应须在加热下进行。

基态电子的排布丁二烯的π分子轨道烯丙基正离子π分子轨道基态电子的排布 根据前线轨道理论,环加成反应在加热下进行,必须是一分子的基态的HOMO与另一分子的基态的LUMO相作用,由上图可以看出它们的对称性是相合的。 9-9完成下列反应。 解

第八章 周环反应 习题答案

第八章周环反应习题答案 8-1写出下列反应的反应产物。 解 主要产物位阻太大,不易生成 8-2写出下列反应的反应条件及产物的名称。 解(ⅰ)加热(Z)-二环〔4.2.0〕辛-7-烯 (ⅱ)①光照②加热(E,E)-辛-3,5-二烯

8-3完成下列反应。 解 8-4比较下列化合物与1,3-丁二烯发生D-A反应的活性大小顺序。 解(ⅰ)>(ⅱ)>(ⅳ)>(ⅲ) 8-5比较下列化合物与环己烯发生D-A反应的活性大小顺序。 解(ⅳ)>(ⅱ)>(ⅰ)>(ⅲ)

8-6写出下面反应的反应产物,用前线轨道理论予以解释。 解反应产物: 反应物是取代的单烯烃,光照下发生〔2+2〕环加成反应。激发态下的前线轨道: 激发态时的HOMO 基态时的LUMO 对称性相合,可生成三种产物。 8-7写出下面反应的反应产物,用前线轨道理论予以解释为什么得此产物。 解反应产物: 戊二烯基正离子的π分子轨道和在基态时的电子排布如下:

8-8用前线轨道理论分析下列反应是在加热下还是光照下发生。 解(ⅰ)反应须在光照下进行。 基态电子的排布丁二烯的π分子轨道丁二烯的π分子轨道激发态电子的排布根据前线轨道理论,环加成反应在光照下进行,必须是一分子的激发态的HOMO与另一分子的基态的LUMO相作用,由上图可以看出它们的对称性是相合的。 (ⅱ)反应须在加热下进行。

基态电子的排布丁二烯的π分子轨道烯丙基正离子π分子轨道基态电子的排布 根据前线轨道理论,环加成反应在加热下进行,必须是一分子的基态的HOMO与另一分子的基态的LUMO相作用,由上图可以看出它们的对称性是相合的。 8-9完成下列反应。 解

周环反应

周环反应 主要内容 一、引言 二、周环反应的分类及理论解释 分类: 1.电环化反应(electrocyclic reactions) 2.环加成反应(cycloaddition reactions) 3.σ-键迁移反应(sigmatropic rearrangement) 理论解释: 1.前线轨道理论 2.分子轨道对称性守恒 3.芳香过渡态理论 三、总结 引言 在本科学习过两类反应: 离子反应:通过键的异裂而产生的C +、C -为中间体 自由基反应:通过键的均裂而产生的C .为中间体 但是,有没有其它类型的反应呢? 1912年 Claisen 重排等 1928年 Diels-Alder 反应,研究相当深入,应用广泛 + O OH

但这类反应没有检测到反应中间体,不服从上述两种反应机理,不受溶剂极性影响,不被酸碱催化,也不受自由基引发剂或淬灭剂的影响,是一类很特殊的有机反应,一度认为是没有机理的反应,困惑化学界50多年(从1912年Claisen 反应起)。 1958年Vogel 报道了一个有趣的反应: 而得不到更稳定的: 或者不稳定的: 1961年荷兰Leiden 大学Prof.Haringa 研究己三烯关环时,得到的是CH 3—、H —反式的关环产物。 该校Oosterhoff 教授认为,加热和光照所引起的化学反应的立体化学不同可能是由于受到其他因素(如共轭己三烯的轨道对称性)的影响,并进一步提出是受最高占据轨道和节点数控制的。这一见解Haringa 作为脚注发表在四面体上。这已经接近了分子轨道对称性守恒大门,可以说已经踏入了一只脚。 CO 2Me 2Me trans-tran H CO 2Me H CO 2Me △120℃ CO 2Me CO 2Me cis-trans

一周环反应

第十四章周环反应(4学时) 目标要求 1. 掌握电环化反应及其机理 2. 掌握环加成反应及其机理 3. 掌握σ迁移反应及其机理 4. 了解周环反应的理论 5. 掌握Claisen重排和Cope重排 教学重点:电环化、环加成、σ迁移反应及其机理,Claisen重排和Cope重排 教学难点:电环化、环加成、σ迁移反应及其机理,周环反应的理论 主要内容 1.电环化反应及其机理 2.环加成反应及其机理 3.σ迁移反应及其机理 4.周环反应的理论 5.Claisen重排和Cope重排 第一节概述 一. 定义:在最近的五十年里,有机化学家研究有机化学机理,主要有两种。一种是游离基型反应,一种是离子型反应,它们都生成稳定或不稳定的中间体。 离子型或游离基型反应:反应物→中间体→产物 另一种机理是,在反应中不形成离子或游离基的中间体,而认为是有电子重新组织经过四或六中心环的过渡态而进行的。这类反应不受溶剂极性的影响,不被碱或酸所催化,没有发现任何引发剂对反应有什么关系。这类反应似乎表明化学键的断裂和生成是同时发生的。这种一步完成的多种心反应叫周环反应。 周环反应:反应物→产物 二. 周环反应的特征: ①反应进行的动力,是加热或光照。 ②反应进行时,有两个以上的键同时断裂或形成,是多中心一步反应。 ③反应时作用物的变化有突出的立体选择性。

④在反应过渡态中原子排列是高度有序的。 三. 分子轨道理论 几个原子轨道线性组合,形成几个分子轨道,比原子轨道能量低的为成键轨道,比原子轨道能量高的为反键轨道。其电子填充符合Pauli原理和Hund规则。 σ轨道: Л轨道: 丁二烯的分子轨道:镜面节面

16周环反应

·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: (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。 CHO + CHO R h υ R = -COOCH 3

·186· (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P 532~533。 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P 533~534。 (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,ψ3,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ψ12,ψ22 ,因E 2 > E 1,所以ψ2就是HOMO 轨道。ψ3和ψ4是空轨道,而E 3 < E 4,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。 成键轨道 原子轨道 X 1 X 2 原子轨道对称不对称 轨道轨道 S P

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