1、會計學1有機反應有機反應(fnyng)機理第八章二機理第八章二第一頁，共96頁。+第1頁/共96頁第二頁，共96頁。前一機理(j l)為協同機理(j l)，后一機理(j l)為分步的雙自由基機理(j l)周環反應(fnyng)機理研究的一個重要內容就是如何區分協同機理和分步機理第2頁/共96頁第三頁，共96頁。區分(qfn)協同機理和分步機理的方法活化體積(tj)的測定(見2.6.3節)動力學同位素效應(xioyng)的測定(4.1節)用電子自旋共振檢測自由基中間體(6.2節)研究反應的立體化學第3頁/共96頁第四頁，共96頁。如果反應按協同(xitng)機理進行，由于分子軌道對稱守恒的要求，

2、反應往往具有高度的立體選擇性本節根據周環反應的普遍規則，討論環加成反應，電環反應和-遷移(qiny)重排反應的機理和立體化學第4頁/共96頁第五頁，共96頁。(1) 2+2環加成反應(ji chn fn yn)乙烯及其衍生物之間通過2+2環加成形成環丁烷及其衍生物的反應通常難以(nny)進行第5頁/共96頁第六頁，共96頁。如果反應按同面-同面 方式進行(jnxng)是對稱性不允許的22ss如果反應按同面-異面 的方式(fngsh)進行，軌道之間空間上又難以接近22sa如果烯烴雙鍵上基團的位阻非常小，也可發生協同方式(fngsh)的 環加成，即一個組分以異面的方式(fngsh)參與反應22sa

3、第6頁/共96頁第七頁，共96頁。烯酮衍生物R1R2C=C=O分子(fnz)中的一個雙鍵碳原子以sp雜化與氧相連，位阻小，是一個理想的異面組分，與烯烴加成生成環丁酮衍生物反應生成烯烴碳原子構型保持的產物，表明(biomng)反應為協同反應OC2H5CH3OCH3COC2H5OH+CH3H3COC2H5ORRCOC2H5OH+R2CCH2第7頁/共96頁第八頁，共96頁。二苯基烯酮與取代(qdi)苯乙烯加成生成環丁酮衍生物S=84Jmol-1K-10.73反應(fnyng)無明顯的溶劑效應協同(xitng)機理？分步機理？CCOPhPhCCH2ArHPhPhArO+第8頁/共96頁第九頁，共96

4、頁。2+4環加成反應中最著名就是(jish)Diels-Alder反應以同面方式進行的2+4環加成反應(ji chn fn yn)是基態允許的反應，生成穩定的環己烯衍生物，反應可以在溫和的條件下進行第9頁/共96頁第十頁，共96頁。數以千計的Diels-Alder反應的結果表明，反應具有高度的立體選擇性，得到二烯和親(hqn)二烯試劑碳原子構型保持的產物說明在絕大多數場合(chng h)，反應是按協同機理進行的第10頁/共96頁第十一頁，共96頁。RR1RR1+RR1RR1+第11頁/共96頁第十二頁，共96頁。環狀二烯與親二烯試劑(shj)加成時，生成兩種立體異構的產物OOOOOOHHOOO

5、HH+ 內型（endo, 主要產物) 外型（exo)第12頁/共96頁第十三頁，共96頁。OOOOOOHHOOOHH+ 內型（endo, 主要產物) 外型（exo)親二烯試劑上的取代基與環己烯分子(fnz)中新生成的碳-碳雙鍵互為順式，稱為內型(endo)產物親二烯試劑上的取代基與環己烯分子中新生成的碳-碳雙鍵(shun jin)互為反式，稱為外型(exo)產物第13頁/共96頁第十四頁，共96頁。當環狀二烯與含不飽和基團的環狀親二烯試劑(shj)反應時，產物往往以內型為主例如，以上(yshng)反應內型產物占絕對優勢，外型產物的比例1.5%第14頁/共96頁第十五頁，共96頁。環二烯與開鏈的

6、親二烯試劑反應時，則不一定遵守(znshu)內型規則例如(lr)環戊二烯與2-取代丙烯酸的加成反應第15頁/共96頁第十六頁，共96頁。X產物比例/%endoexoH7525CH33565C2H50100Br3068endoexo+CH2CO2HXXCO2H+CO2HX第16頁/共96頁第十七頁，共96頁。Woodward和Hoffmann認為(rnwi)，內型規則可以用前線軌道理論解釋Diels-Alder反應中，二烯組分通常(tngchng)有供電基，親二烯試劑通常(tngchng)含吸電基過渡態二烯的HOMO軌道(gudo)與親二烯試劑的LUMO軌道(gudo)作用比較合理第17頁/共9

7、6頁第十八頁，共96頁。按內型規則反應，過渡態二烯組分(zfn)HOMO軌道與親二烯試劑LUMO軌道的作用如下圖所示二烯HOMO親二烯試劑LUMO (a)第18頁/共96頁第十九頁，共96頁。按形成外型產物的方式反應，過渡態二烯組分的HOMO與親二烯試劑的LUMO軌道(gudo)的作用如圖所示親二烯試劑LUMO (b)二烯HOMO第19頁/共96頁第二十頁，共96頁。二烯HOMO親二烯試劑LUMO (a)親二烯試劑LUMO (b)二烯HOMO第20頁/共96頁第二十一頁，共96頁。在上圖a中，除了正常的軌道相互作用外，親二烯試劑分子中不飽和基團的p軌道與二烯的HOMO軌道之間還可以發生“次級軌

8、道相互作用”(secondary orbital interaction)，降低(jingd)過渡態的能量正是因為這種次級(c j)軌道相互作用才導致含不飽和基團的親二烯試劑與環二烯加成時服從內型規則第21頁/共96頁第二十二頁，共96頁。對于某些Diels-Alder反應，實驗測定的活化(huhu)體積V比反應的體積變化V0還要負這是過渡態存在次級(c j)軌道相互作用的實驗證據(2.6.3節)第22頁/共96頁第二十三頁，共96頁。Diels-Alder反應的另一立體化學(l t hu xu)特征含有取代基的二烯組分與親二烯試劑(shj)反應時，通常生成取代基互為1,2-位或互為1,4-位

9、的產物第23頁/共96頁第二十四頁，共96頁。反應溫度R1R2R產物比例/%1,2-1,3-20NH2HC2H5100020CH3HCH3955220CO2NaHNa5050R1R2CO2R+HR1R2CO2RHR1CO2RR2+為什么當R1為羧酸鹽時1,3-位產物比例(bl)增加?第24頁/共96頁第二十五頁，共96頁。R1HCO2CH3+HCO2CH3R1HCO2CH3R1+反應溫度R1產物比例/%1,4-1,3-160OC2H51000150C6H5821895CN1000第25頁/共96頁第二十六頁，共96頁。ADD這一位置(wi zhi)選擇性可用前線軌道的軌道系數解釋第26頁/共9

10、6頁第二十七頁，共96頁。DAADDADA1,2-位取向(q xin)1,4-位取向(q xin)第27頁/共96頁第二十八頁，共96頁。DADADADA 二烯與親二烯試劑反應時，軌道系數大的原子傾向于與軌道系數大的原子結合。因而(yn r)主要生成1,2-和1,4-位產物第28頁/共96頁第二十九頁，共96頁。1,3-偶極環加成是具有偶極特征的三原子四電子體系與烯烴的加成，是一類重要的2+4環加成反應，在合成中有廣泛(gungfn)的應用例如，由硝基烯與親二烯試劑加成可合成(hchng)氮羧酸酯，氮羧酸酯又可作為四電子三中心體系與親二烯試劑發生環加成，生成雙環化合物第29頁/共96頁第三十頁

11、，共96頁。NOROOEtNOOROEtNCNOORNCOEt第30頁/共96頁第三十一頁，共96頁。NOOR3R2R1+ MeMeMeMeNOOR3R2HR1HMeMeMeMe1. SnCl4/甲苯70oC2. 甲苯70oC第31頁/共96頁第三十二頁，共96頁。烯烴(xtng)的臭氧分解實際上也是通過1,3-偶極環加成反應和逆-1,3-偶極環加成反應進行的反應過程可表示(biosh)如下第32頁/共96頁第三十三頁，共96頁。1,3-加成OOOHR1HR2逆-1，3-加成1,3加成OOOHR2HR1OOOCHR1CHR2OR1H+OOHR2第33頁/共96頁第三十四頁，共96頁。nn電環反

12、應(fnyng)包括電環閉環和電環開環，二者互為逆反應(fnyng)，可用以下反應(fnyng)通式表示式中n表示(biosh)體系的碳原子數第34頁/共96頁第三十五頁，共96頁。電環反應的平衡偏向于哪一方取決于反應物和產物的結構(jigu)和相對穩定性例如(lr)，己三烯(n=4)閉環生成穩定的環己二烯，平衡偏向于閉環一方第35頁/共96頁第三十六頁，共96頁。而丁二烯閉環生成(shn chn)張力大的環丁烯，平衡偏向于開環一方第36頁/共96頁第三十七頁，共96頁。環丙基正離子、負離子和自由基開環的軌道(gudo)相關圖如下圖所示第37頁/共96頁第三十八頁，共96頁。SSAAAASSS

13、SA圖33 環丙體系開環軌道相關圖aabbc2對旋順旋ababababA討論(toln)環丙基正、負離子開環的方式第38頁/共96頁第三十九頁，共96頁。由圖可見，對于(duy)環丙基正離子，對旋開環是對稱性允許的反應對于(duy)環丙基負離子，順旋開環為對稱性允許的反應對于環丙基自由基的開環，由軌道相關圖不能作出明確(mngqu)結論第39頁/共96頁第四十頁，共96頁。環丙體系環張力大，經由環丙基正離子的反應很容易通過(tnggu)電環開環生成烯丙基正離子對旋？順旋？HCH3HCH3CH3HClHCH3HSbF5-SO2ClFC100HCH3CH3HCH3HClHHCH3SbF5-SO2C

14、lFC100第40頁/共96頁第四十一頁，共96頁。以下氮雜環丙烷衍生物在100下開環，產生的中間體與2-丁炔二酸二酯發生1,3-偶極環加成，立體專一(zhuny)的生成五元氮雜環衍生物第41頁/共96頁第四十二頁，共96頁。NArCO2RHRO2CHNRO2CHCO2RHArC100R1O2CCO2R17NHCO2RHRO2CCO2R1R1O2CArNArCO2RHHCO2RNRO2CHHCO2RArR1O2CCO2R16C100NHCO2RRO2CHCO2R1R1O2CAr8順旋？對旋？為什么？第42頁/共96頁第四十三頁，共96頁。氮雜環丙烷由于氮原子上有孤電子對與環丙基負離子具有等電子

15、結構，因此(ync)按順旋方式開環第43頁/共96頁第四十四頁，共96頁。22sa22ss由于環張力的存在(cnzi)，環丁烯的開環也是熱力學上有利的反應(G0 0)根據周環反應(fnyng)的普通規則，環丁烯順旋開環可表示為 ,是對稱性允許的反應(fnyng)對旋開環可表示(biosh)為 ，對稱性不允許第44頁/共96頁第四十五頁，共96頁。順旋開環as22對旋開環ss22第45頁/共96頁第四十六頁，共96頁。CH3HH3CHHCH3HCH3C175順旋?對旋？例如(lr)，順-3,4-二甲基環丁烯開環生成E,Z-2,4-己二烯第46頁/共96頁第四十七頁，共96頁。而反-3,4-二甲基

16、環丁烯開環生成(shn chn)E,E-2,4-己二烯CH3HHCH3CH3HHCH3C175第47頁/共96頁第四十八頁，共96頁。丁二烯衍生物9在加熱的條件下可轉變成異構體10，但是，即使(jsh)將9在124加熱51天，也不能檢測到異構體11和12，為什么？PhCH3PhPhPhCD31211PhCH3CD3PhPhPhPhCH3CD3PhPhPh109CH3PhPhPhCD3Ph第48頁/共96頁第四十九頁，共96頁。反應可能按以下電環閉環和電環開環的途徑(tjng)進行CH3PhPhPhPhCD3PhCH3PhCD3PhPhPhCH3CD3PhPhPh10第49頁/共96頁第五十頁，

17、共96頁。HH單環環丁烯衍生物容易(rngy)開環，而二環3.2.0庚-6-烯在260下仍能穩定存在，為什么？第50頁/共96頁第五十一頁，共96頁。因為(yn wi)對稱性允許的順旋開環會導致生成含有反式雙鍵的環烯烴，立體化學上不利，而對旋開環又是對稱性不允許的HH1314第51頁/共96頁第五十二頁，共96頁。戊二烯基正離子和負離子很容易閉環形成穩定(wndng)的五元環產物例如，戊二烯醇17a和17b在強酸中質子化脫羥基(qingj)形成戊二烯正離子，后者立體專一地閉環形成五元環產物第52頁/共96頁第五十三頁，共96頁。CH3HCH3CH3OHCH3HSO2ClF/HSO3FCH3CH

18、3CH3CH317aC80CH3HCH3CH3OHHCH3SO2ClF/HSO3FCH3CH3CH3CH317bC80順旋?對旋？第53頁/共96頁第五十四頁，共96頁。HHHHM = K , LiHC35HHM18戊二烯基負離子18閉環生成(shn chn)順式稠合的橋環化合物順旋?對旋？第54頁/共96頁第五十五頁，共96頁。根據分子軌道對稱守恒原理，戊二烯基正離子的閉環應按順旋方式(fngsh)進行，戊二烯基負離子的閉環應按對旋方式(fngsh)進行實驗結果與理論預測(yc)的一致第55頁/共96頁第五十六頁，共96頁。222sss222ssa根據周環反應的普遍規則(guz)，己三烯對旋

19、閉環可表示為 ，是對稱性允許的反應順旋閉環則為 ，對稱性不允許(ynx)第56頁/共96頁第五十七頁，共96頁。222 )sss對旋222 )ssa順旋己三烯閉環的軌道對稱性第57頁/共96頁第五十八頁，共96頁。CH3HHCH3HHCH3CH3C1301920E,Z,E-辛-2,4,6-三烯(19)在130發生(fshng)閉環反應，生成順-5,6-二甲基-環己-1,3-二烯(20)對旋？順旋？第58頁/共96頁第五十九頁，共96頁。CH3HHCH3HCH3CH3H解釋以下(yxi)反應：第59頁/共96頁第六十頁，共96頁。反應(fnyng)由辛四烯的順旋閉環和產物環辛三烯的對旋閉環兩步構

20、成CH3HHCH3C10HCH3CH3HC20HCH3CH3H第60頁/共96頁第六十一頁，共96頁。常見(chn jin)的遷移重排有1，n遷移，3，3遷移，5，5遷移等對于1，n遷移來說，當n為奇數時，涉及的是中性分子(fnz)的遷移重排，例如1，3遷移，1，5遷移，1，7遷移等當n為偶數時，則為正、負離子的遷移重排，例如碳正離子的1，2遷移重排第61頁/共96頁第六十二頁，共96頁。1，n- 遷移(qiny)重排實際上是鍵沿體系的遷移(qiny)根據(gnj)同面、異面的概念，有四種可能的遷移方式遷移基團R的立體化學與遷移方式有關，可能是保持(boch)的，也可能是轉化的第62頁/共96

21、頁第六十三頁，共96頁。表6 1，n- -遷移重排的可能方式和遷移基團遷移方式同面異面組分R的構型ss保持aa轉化as轉化保持sa第63頁/共96頁第六十四頁，共96頁。對于1,3氫遷移(qiny)，氫以s軌道成鍵，組分只能以同面方式遷移(qiny)，只有兩種可能的遷移(qiny)方式Hss22Hsa22 1，3-氫遷移的可能方式第64頁/共96頁第六十五頁，共96頁。其中第一種遷移方式(fngsh)是對稱性禁阻的第二種遷移方式是對稱性允許的，但要求氫從體系的一面遷移到另一面，空間(kngjin)上無法接近因此(ync)，氫的1，3-遷移很難發生第65頁/共96頁第六十六頁，共96頁。實驗結果

22、與理論預測的一致。通常情況下，烯烴的雙鍵在500以下是不會發生(fshng)1，3遷移的例如，乙酸酯28熱解產物29是甲苯的同分異構(tn fn y u)體，但即使在350的高溫反應條件下，29也能夠穩定存在，不會經1,3氫遷移轉變成穩定的甲苯分子，充分說明了1，3氫遷移難以發生第66頁/共96頁第六十七頁，共96頁。C350+CH2HOCCH3O2928OHCH3O第67頁/共96頁第六十八頁，共96頁。1,3-碳遷移反應四種可能(knng)方式中，以下兩種方式是對稱性允許的Rsa22Ras22對稱性允許的1，3碳遷移方式第68頁/共96頁第六十九頁，共96頁。第一種方式要求遷移基團(j t

23、un)R以構型保持的方式從體系的一面遷移到另一面，立體化學上非常不利第二種方式要求遷移基團R以構型轉化的方式在體系(tx)之內進行同面遷移，是1，3碳遷移唯一可行的方式。實驗結果與此推測一致第69頁/共96頁第七十頁，共96頁。開鏈烴(lin tn)的烷基很少發生1，3遷移在一些張力較大的環狀體系中，如果遷移可以緩解環的張力，常發生1，3-碳遷移反應，在這些反應中，遷移基團(j tun)大多是構型轉化的第70頁/共96頁第七十一頁，共96頁。1,3-烷基(wn j)遷移的實例1HDHXC307HDXHHDXH30a X=OAc30b X= D第71頁/共96頁第七十二頁，共96頁。1,3-烷基

24、遷移(qiny)的實例2HCH3C120HH3CCH3H第72頁/共96頁第七十三頁，共96頁。與1,3-氫遷移不同，同面的1,5-氫遷移是對稱性允許(ynx)的反應Hss24對稱性允許(ynx)的1,5-氫遷移第73頁/共96頁第七十四頁，共96頁。CH3CH3HCH3HHCH3H以上(yshng)1,5-氫遷移反應的動力是什么？因此，1,5-氫遷移反應是常見反應，含有戊二烯體系的分子可通過(tnggu)1，5-氫遷移轉變成更穩定異構體 第74頁/共96頁第七十五頁，共96頁。同面-同面的1，5-碳遷移也是對稱性允許(ynx)的反應與1,3碳遷移不同，1,5碳遷移反應中，遷移基團(j tun

25、)R的構型是保持的Rss24第75頁/共96頁第七十六頁，共96頁。研究環戊二烯衍生物和茚衍生物中基團(j tun)發生1,5 遷移重排反應的傾向發現，羰基和羧基最容易發生遷移，其次為氫例如，茚的酰基衍生物36在140下發生遷移(qiny)重排，生成更穩定的,-不飽和酮衍生物37第76頁/共96頁第七十七頁，共96頁。36CH3CH3CROC140CHRCH3OCH3CH3HCOR371,5酰基遷移(qiny)和1,5氫遷移(qiny)機理(j l)？第77頁/共96頁第七十八頁，共96頁。同1,3氫遷移類似，同面的1,7氫遷移也是對稱性禁阻(jnz)的，只有氫從體系的一面遷移到另一面的異面遷

26、移才是對稱性允許的第78頁/共96頁第七十九頁，共96頁。Hss26Hsa26第79頁/共96頁第八十頁，共96頁。與1,3氫遷移(qiny)不同，在1,7氫遷移(qiny)的情況下，分子碳鏈足夠長，氫從體系的一面遷移(qiny)到另一面的異面遷移(qiny)立體化學上是允許的因此，1,7氫遷移是常見的氫遷移反應。例如，在生物體內，維生素D3的前體40轉變成維生素D3 (41) 的反應被認為是按1,7氫遷移的機理(j l)進行的第80頁/共96頁第八十一頁，共96頁。HOHC8H17CH2CH3HOC8H174041(VD3)第81頁/共96頁第八十二頁，共96頁。3,3 -遷移重排是一類常見

27、的重排反應，其中(qzhng)典型的反應有Cope重排和Claisen重排321321Cope重排OO321321Claisen重排第82頁/共96頁第八十三頁，共96頁。根據周環反應的普遍規則，3,3遷移可以通過兩種不同的對稱性允許的方式進行，分別(fnbi)經由類椅式過渡態和類船式過渡態類椅式過渡態sss222類船式過渡態sss222第83頁/共96頁第八十四頁，共96頁。研究Cope重排的立體化學發現，反應(fnyng)按類椅式過渡態進行高度的立體選擇性也表明反應是按協同(xitng)機理進行的HH3CHH3CCH3HCH3H4299.7%第84頁/共96頁第八十五頁，共96頁。OCH3

28、OCH3C150烯丙基乙烯基醚通過3，3遷移重排成,-不飽和酮的反應稱作Claisen重排反應，可在溫和條件(tiojin)下進行第85頁/共96頁第八十六頁，共96頁。OCH3OHCH3OHCH3H3,3烯丙基苯基醚的3,3遷移(qiny)也是常見的Claisen重排初始產物環己二烯酮在酸或堿的催化下異構化為苯酚衍生物，苯酚本身(bnshn)的酸性足以催化這類異構化反應第86頁/共96頁第八十七頁，共96頁。OCH3CH3CH3OHCH3CH3CH3C200反應中，烯丙基遷移(qiny)至鄰位，稱作鄰位Claisen重排有時烯丙基也可遷移至苯環對位，特別是當鄰位已有取代(qdi)基時，例如第

29、87頁/共96頁第八十八頁，共96頁。為了與鄰位Claisen重排相區別(qbi)，稱這類反應為對位Claisen重排鄰位Claisen重排反應中，烯丙基發生重排，在對位(du wi)Claisen重排反應中，得到的是烯丙基未重排的產物第88頁/共96頁第八十九頁，共96頁。研究發現(fxin)，對位Claisen重排實際上是經由鄰位Claisen重排和Cope重排兩步反應完成的反應中烯丙基經過(jnggu)兩次重排，因而得到烯丙基未重排的產物第89頁/共96頁第九十頁，共96頁。CH3CH3OCH3OCH3CH3HCH3HOHCH3CH3CH3CH3OCH3CH3第90頁/共96頁第九十一頁，共96頁。OCH3CH3OCH3CH3OOOOOCH3H3COO46這一機理得到若干實驗(shyn)事實的支持。例如，在46的重排反應中加入順丁烯二酸酐，可以捕獲第一步鄰位Claisen重排的中間體第91頁/共96頁第九十二頁，共96頁。1. all-cis-1,3,5,7-Cyclononatetraene can theoretically undergo