第七章周環反應第一節電環化定義：線狀p電子共軛體系的兩端形成一個單鍵和其逆反應。例如，環丁烯在加熱條件下開環成丁二烯：4n體系加熱順旋conrotatory環丁烯熱解開環，小環張力得以釋放，對簡單烷基取代的環丁烯活化能在30-35Kcal/mol.如產物的結構特征限制了順旋開環方式，則開環需更高穩定，反應不一定按協同方式進行。Δ中等以下環內反式雙鍵，扭曲張力大，反應不能進行。400oC順旋丁二烯關環成環丁烯的過程也是順旋的環內反式雙鍵的張力得以釋放4n+2體系對旋成環disrotatory1,3,5-己三烯的電環化生成1,3-環己二烯，加熱時按對旋方式成環。此關環反應通常在能量上是有利的，因為環己二烯比1,3,5-己三烯具有更大的熱力學穩定性。(原料：5個s鍵，3個p鍵；產物：6個s鍵，2個p鍵.)在環丁烯順旋開環成丁二烯時，有兩種順旋方式：空間效應一般是大基團向外旋轉有利，即生成E構型產物為主。Dewer苯但理論計算表明給電子基傾向向外旋轉，吸電子基（Y=CHO,CF3)傾向向里旋轉。(J.Am.Chem.Soc.1985,107,2099.J.Am.Chem.Soc.1984,106,7989.)雙環[2,2,0]-2,5-己二烯是苯的構造異構體，稱為Dewar苯。很多試圖合成Dewar苯的實驗均未成功，直到1962年，Tamelen和Pappas通過1,2,4-三叔丁基苯光解分離了一種穩定的Dewar苯衍生物hv此化合物比較穩定，只有當加熱時才轉換成其取代苯原料。穩定性部分可歸功于空間因素。在Dewar苯結構中叔丁基的距離比苯中更遠。沒有取代的Dewar苯在1963年被制備：沒有取代的Dewar苯在25oC壽命為2天，轉換為苯的H?=23Kcal/mol.這個熱力學穩定性比人們預計的高很多，原因是在加熱條件下，Dewar苯是順旋開環，得到Z,Z,E－環己三烯，而對旋生成苯的反應是禁阻的。因此，開環成苯可能經歷了游離基歷程。

共價互變R=H，k平~3×10–3(100℃)R=CN，CF3

平衡向雙環方向移動J.Am.Chem.Soc.1973,95,5099.和1980,102,331.TetrahedronLett.1981,22,4981.環庚三烯與雙環[4.1.0]-2,4-庚二烯之間快速互變平衡：這個電環化轉變的能量非常低，室溫下即可互變，當R=CO2Me時，活化能為7Kcal/mol.這是共價互變（Valencetautomerism),即一個快速的成鍵電子重新組合的過程。由于環庚三烯的環將反應兩端牽在一起，使反應更易進行。4n體系2,4,6,8-癸四烯在近乎室溫下順旋與環辛三烯建立平衡，略微加熱，環辛三烯對旋與對應的雙環[4.2.0]-2,4-辛二烯成平衡。Woodward-Hoffmann軌道對稱守恒原理不僅局限于應用在中性分子，也適用于離子。環丙基正離子轉換成烯丙基正離子是最簡單的電環化例子，因為它只包含2個p電子。由于角張力環丙基正離子不易形成，環丙基鹵代烴和磺酸酯在一般溶劑解的條件下都很不活潑。例如，環丙基磺酸酯在乙酸中溶劑解需在180oC進行，產物為烯丙基乙酸酯而不是環丙基乙酸酯。反應中間體可能是先形成環丙基正離子，然后開環成烯丙基正離子。形成烯丙基產物是其它環丙基鹵代烴和磺酸酯溶劑解的特征。環丙胺在水溶液中重氮化給出烯丙醇。ΔU型W型環丙基正離子的開環屬于4n+2體系電環化，基態反應對旋開環。取代的環丙基開環有以下兩種形式的產物：由于空阻原因，一般取代基對外旋轉更有利。生成W-型的烯丙基正離子將比U－型正離子占優勢。文獻報道通過比較環丙基磺酸酯I,II,III的溶劑解反應速度，研究反應是否經過游離的環丙基正離子開環。V相對1441000(溶劑解)IIIIII

如果形成碳正離子是決速步驟，化合物II應比III快，因為碳正離子的生成使OTs和Me間的排斥力消失。但實際是III比II快10000倍，說明有其它因素決定反應速度。Depuy首次假設形成碳正離子和開環是同時進行。在此協同過程中，正在斷裂的C-Cs電子將幫助C-OTs電離，如s電子處于離去背面將最大限度促進TsO基團離去，這就需要處于離去基團反式的基團在C-O鍵電離過程中向外旋轉。在III分子中,甲基處于TsO反式，向外旋轉生成W型產物。而在II中氫原子處于TsO反式，兩甲基需向內旋轉（兩氫原子向外旋轉〕，空間斥力大，生成U型產物。所以III比II反應快很多。

V相對12×10６這種情況下，U型更有利化合物IV和V在乙酸中溶劑解：化合物IV在乙酸(150oC)三個月，90%原料被回收，表明原料電離和協同開環均極慢，對旋開環導致張力極大的反式環己烯正離子。而化合物V的相同反應快2X106倍.當稠環足夠大使反式環烯能夠穩定存在時，溶劑解以合理的速度進行。H+4n順旋-H+二烯酮VI在酸催化下環化是4p體系正離子順旋環化的一個例子，它通過3-羥基戊二烯正離子中間體，產物的立體化學符合電環化的原則。第二節環加成一、Diels－Alder反應(一)

一般特點D-A反應中雙烯與親雙烯體彼此平行同面接近：LUMOHOMO親雙烯體雙烯體內式：過渡態中親雙烯體上的取代基接近雙烯體上的p軌道。外式：過渡態中親雙烯體上的取代基遠離雙烯體上的p軌道。親雙烯對雙烯的加成有二種可能的立體化學取向，內式(endo)和外式(exo).

內式：如X與Y不同，則有對映異構體外式在D-A反應中優先生成內式產物被稱作Alder規則。內、外式產物的差別取決于雙烯取代程度，當親雙烯體的取代基X或Y為不飽和取代基一般以內式為主。內式過渡態中取代基π電子與雙烯體漸形成的C2-C3之間π電子有次級作用，可降低過渡態的能量，也可能與偶極和其它作用有關。外式產物為熱力學穩定產物，高溫下反應易得外式。另外，有時氫鍵的作用會影響內外式的比例。+endo100%+85%15%++R=HR=Me75~90%22~40%78~60%25~10%也有少數例子中產物不符合Alder規則，例如，環戊二烯和丙烯酸酯在十氫化萘中反應給出75%內式產物，在甲醇中內式達90%.而2-甲基取代丙烯酸酯與環戊二烯反應則以外式產物為主。J.Am.Chem.Soc.1962,84,297.D-A加成存在強的取代基電子效應。富電子雙烯與缺電子單烯烴之間最易發生反應，與簡單雙烯加成的活潑的親雙烯體有：苯醌、順丁烯二酸酐、硝基烯烴、a,b-不飽和酯（酮，腈〕。如使用缺電子雙烯，富電子單烯烴成為好的親雙烯體，這樣的反應稱逆電子要求的D-A反應。當雙烯和親雙烯都存在不對稱取代基時，加成有區域選擇性。(用取代基的電子效應判斷)A:用通式表示區域選擇性；B:C:D:EDG:推電子基，EWG:吸電子基D-A反應對兩種立體效應極為敏感。第一、當親雙烯體或雙烯體末端有空阻大的基團會阻礙彼此接近，反應變慢。R H Me t-BuKR 1 42 <0.05注：R從H變為Me，電子效應使反應加快。第二、雙烯體自身取代基對其形成s－cis構象有影響。例如反式1,3-戊二烯活性比4-甲基－1,3-戊二烯大103倍。RHMeKR110－3雙烯體C-2,C-3上取代基對D-A反應影響很小。例如，2,3-二甲基丁二烯與馬來酸酐的加成速度比丁二烯快10倍，因為甲基是推電子基。2-叔丁基－1,3-丁二烯比丁二烯快27倍，因為2-叔丁基取代使s-順比s-反更穩定。不能發生D－A反應在丁二烯C-2,C-3同時存在叔丁基會妨礙s-順式構象的實現，至今沒有觀察到2,3-二叔丁基丁二烯的D-A反應。Lewis酸可催化D－A反應，催化效應歸因與Lewis酸與親雙烯體上取代基絡合，絡合的親雙烯更加缺電子，其LUMO軌道能量降低。催化劑不僅增加反應速度而且提高區域選擇性。無催化劑： 120℃,6h70% 30%AlCl3催化： 20℃,3h 95%5%(二)D－A反應的親雙烯體(dienophiles)烯炔雜原子雙鍵4-苯基-1,2,4-三唑啉-3,5-二酮偶氮酸二甲酸二乙酯近幾年來，由于發展了帶有可轉換官能團的親雙烯體和合成等效試劑，D-A反應的用途進一步擴大。例如a-氯代丙烯腈可作為乙烯基酮的合成等效試劑，乙烯基酮本身不適合作親雙烯體，因為它傾向與雙烯發生[2+2]環加成，而不是[4+2]環加成。D-A反應在有機合成中起重要作用。例如，取代苯醌與丁二烯的反應是早期合成類固醇的第一步，通過苯醌的甲基引人角甲基。乙烯基砜是活潑的親雙烯體，砜基可用Na(Hg)還原除去，所以乙烯基砜是乙烯的等效試劑。砜的a-碳負離子能進一步烷基化，三步反應使乙烯基砜成為末端烯的等效試劑。2-乙烯基二氧環戊烷是另一類型的可轉換官能團的親雙烯體，它本身并不是活潑的親雙烯體，但在催化量的酸存在下，縮醛與高活性的氧化碳正離子發生平衡，低溫或室溫下，此正離子進行D-A反應，產物經水解得醛，2-乙烯基二氧環戊烷成為乙烯醛的等價物。83%苯基乙烯基亞砜是乙炔的等效試劑，它的D-A加成產物很容易消除苯基次磺酸。乙烯基膦鹽是活潑的親雙烯體，它的D-A加成物去質子化產生Ylide，進一步與羰基反應，引人環外雙鍵，這相當于用一個丙二烯型化合物進行D-A反應。例親雙烯體的手性取代基可誘導對映選擇性的D-A反應，Lewis酸催化可降低反應穩度，催化劑與親雙烯體之間配位可加大試劑的空間不等性，有助于得到更好的立體選擇性。(三)雙烯體(dienes)在有機合成中功能化的雙烯有重要用途。1-甲氧基－3-三甲基硅氧基-1,3-丁二烯(Danishefky’sdiene)是一種重要的多功能雙烯，它的D-A加成物是烯醇硅醚，烯醇硅醚易水解成酮，b-甲氧基在水解后被除去。+Danishefsky雙烯與乙炔二羧酸甲酯的加成物水解得到酚。不穩定的雙烯可在親雙烯體存在下原位產生。醌二甲烷（quinodimethanes〕是這類雙烯最有用的例子。這類化合物是非?；顫姷碾p烯，因為環加成重新建立了一個苯并環，產物因芳香化而穩定。quinodimethanes合成醌二甲烷的方法：1、苯并環丁烷開環ΔF－，50℃2、a,a’－二官能團化鄰二甲苯的消除

′

100%Zn—Ag另一類具有高反應活性的雙烯是二苯基苯并[c]呋喃衍生物，反應活性高歸功于產物的芳香穩定性。多環芳烴是具有中等反應活性的雙烯體。蒽與一些活潑的親雙烯化合物加成，反應發生在中間環，產物不失去芳香穩定性，因蒽被兩個苯環代替。萘比蒽不活潑的多，多甲基取代萘比萘活潑，反應發生在取代苯環上。苯環的D-A反應很少見，只有特別活潑的親雙烯體才與苯反應。例如，苯與二氰乙炔在AlCl3催化下能發生反應。

(四)分子內D－A反應0℃內式，87%1分子內D-A反應是合成稠環化合物的重要方法。例如：內式2160℃親雙烯體無吸電子基，內式過渡態的穩定性沒有了。反式十氫化萘更穩定。95%親雙烯體帶吸電子基和分子內反應兩種因素使反應很容易。外式雖然親雙烯體有吸電子基，但由于雙烯體上異丙基空阻大及六元環并五元環的張力比六元環并六元環的張力大，故反應仍需加熱。酯基取代有利于內式的生成，但過渡態構象是反式并聯的外式穩定。所以產物為立體異構混合物。34此例中內式過渡態與反式并聯構象是一致的。5四元環電環化先開環，后D-A環加成。200℃7.5h6Lewis酸同樣催化分子內D-A反應并改善反應立體選擇性。例如：二、[2+2]環加成1、加熱條件乙烯與烯烴的[2+2]環加成是構筑環丁烷的有效方法。基態乙烯HOMO為π軌道，LUMO為π*軌道,同面加成對稱性不匹配。π

π*

同面－同面加成不匹配只有一個烯烴為同面（suprafacial),另一個烯烴為異面(antarafacial)對稱性才匹配，反應過渡態能量很高，很少的反應體系能符合這種幾何要求。故要用光照激發，使反應物中一個烯烴的HOMO變成π*。

同面－異面匹配+R1與R遠離結論：在加熱時，烯烴的[2+2]環加成禁阻，但烯酮與烯烴卻可順利反應。烯酮在[2+2]環加成中特別活潑，因為烯酮羰基上沒有取代基，在同面－異面加成中空阻小，而且烯酮的LUMO軌道能量低，有利與HOMO與LUMO之間的重疊。因此，烯酮可與烯烴在熱條件下以同面－異面方式加成。為減小過渡態的空阻，雙鍵上取代基和烯酮上取代基采取遠離的方式成環。例++Et3N-HCl+123烯酮不穩定，可用2-氯乙酰氯脫氯化氫原位產生。77%60%30%4+Et3N61%14%環丁烷也可通過非協同離子中間體產生。富電子烯烴和缺電子烯烴的結合可經過這樣歷程。這類反應的立體化學取決于偶極中間體的壽命，而中間體壽命受溶劑極性影響，在非極性溶劑中中間體壽命短，原料的立體構型可能保持。在極性溶劑中，中間體壽命長，反應無立體專一性。5例+100%+90%122、光化學環加成光化環化和熱環化相互補充，它可合成熱反應不能合成的化合物。在光激發的反應類型中，最有用的是兩個碳碳雙鍵的[2+2]環加成及烯烴與羰基之間的[2+2]反應。[2+2]光環化并不總是協同反應，因為在某些情況下活性的激發態是三線態。此時，最初的加成物是三線態的1,4-雙自由基，它在環化之前必須經過電子自旋的轉換。如果1,4-雙自由基中間體的鍵旋轉比電子自旋反轉快，立體專一性就喪失。因此，與協同的熱環化相反，光化學[2+2]環化不總是立體專一的。π

π*

π

π*

激發態三線態單線態

Cu(I)鹽可催化簡單烯烴的[2+2]光環化反應，其中三氟甲磺酸銅（I〕最有效。反應涉及的活性中間體是2:1烯－銅（I〕絡合物。

CuO3SCF3hv+CuO3SCF3hv例 1例：研究較多的分子內光環化是形成一系列復雜“籠狀”分子，在這些分子中由于雙鍵距離近而易于環化。43%74%25%23480%a,b－不飽和酮也與烯烴進行光環化，反應的活性激發態是三線態，中間體為三線態雙游離基，反應對烯烴不一定是立體專一性反應。環戊烯酮和環己烯酮的反應是成功的，非環不飽和烯酮和大環不飽和烯酮的激發態由于順反異構化而失活，因而不易與烯烴加成。hv++例+hv62%1X=推電子基主X=吸電子基主無解釋hv50%2335%+460%30%＋5679%77%醛酮在光激發下與烯烴反應生成四元環醚，這一反應稱Paterno-Buchi反應，＋hv對某些脂肪酮激發態為單線態，有立體專一性芳香酮激發態為三線態，無立體專一性例+hv38%12+hv81%3hv83%431%優勢產物三、1,3－偶極環加成[4+2]環加成并不局限于中性分子，一些離子中間體與中性分子也可發生環加成。在協同的[4+2]環加成反應中存在一大類反應，稱1,3－偶極環加成1,3-偶極體有4個p電子，常用1,3－偶極體：腈氧化物疊氮化物硝酮腈亞胺重氮甲烷a-b-c稱作1,3-偶極體d-e稱親偶極體+++親偶極體是烯烴或炔烴，其活性取決于雙鍵上的取代基。1,3-偶極環加成是合成五元雜環有效方法。它也是立體專一的順式加成。某些1,3-偶極體，通過順式加成可形成兩個可能的立體異構體，它們來自反應中反應物的不同取向，類似于D-A反應的內式和外式。兩者不是對映體每個1,3-偶極體對不同類型的親偶極體呈現了自己特征的區域選擇性。區域選擇性的預測要估計或計算所涉及的分子軌道能量及分子軌道中各原子軌道的系數。兩個分子之間能級最接近的HOMO和LUMO軌道之間重疊，而兩個原子系數最大的原子之間成鍵是優先的反應取向。取代烯烴的HOMO和LUMO的相對能級和分子軌道中原子系數的相對大小。Z共軛吸電子基C中等推電子基X強推電子基一些常見1,3-偶極體HOMO和LUMO軌道能級和系數：例：區域選擇性預測：由于取代基會改變軌道能級和系數，所以1,3-偶極環加成的區域選擇性規律不強。其它結構因素也能影響反應性。張力可增加烯烴的反應性，例如，降冰片烯比環己烯更活潑。典型1,3-偶極環加成實例：+91%1292%3腈氧化物通常由硝基烷脫水生成，由于它很活潑，必須采用原位產生。硝酮可由醛與N-烷基羥胺制備，硝酮與烯烴的加成產物是異噁唑啉，它的氧－氮鍵能被還原斷開形成胺基和羥基。例1例2第三節σ－移變重排（SigmatropicRearrangements)σ－移變重排是由軌道對稱性控制的協同σ鍵遷移。重排時，σ電子遷移到共軛體系的一端，同時發生p電子遷移。[1,3]碳遷移[1,5]碳遷移烯丙基亞砜[2,3]遷移烯丙基二氮烯[2,3]遷移[3,3]碳遷移雜原子取代[3,3]碳遷移[1,7]氫遷移[1,7]碳遷移一、[1,J]遷移在遷移過程中，遷移基團保持與共軛p體系的同一面相連，稱同面遷移(suprafacial)。如遷移基團遷到p體系的另一面，則稱異面遷移(antarafacial)。1、氫遷移

[1,5]H遷移同面允許加熱同面遷移y2基態HOMO[1,7]異面遷移扭曲張力小于[1,3]異面遷移，加熱可異面遷移．[1,3]H遷移加熱不反應2、碳遷移烷基也可發生s移位，遷移基團中心原子構型保持(retention)或構型翻轉(inversion).[1,3]-碳遷移同面遷移構型保持retention禁阻同面遷移構型翻轉Inversion允許[1,5]-碳遷移同面遷移構型保持retention允許同面遷移構型翻轉Inversion禁阻Woodward－Hoffmann規則：[1,j]遷移[1+j]同面/保持同面/翻轉異面/保持異面/翻轉4n禁阻允許允許禁阻4n+2允許禁阻禁阻允許[3,3]碳遷移過渡態可看做由二個烯丙基片斷相互作用。當兩個基團均為同面遷移時，基態分子軌道是對稱允許的。通常過渡態為類似椅式構象，但類船式構象也是可能的。對H而言不涉及構型翻轉[i+j]同面/同面同面/異面異面/異面i+j:4n禁阻允許禁阻i+j:4n+2允許禁阻允許Woodward－Hoffmann規則可被很多實驗所證明。例如[1,5]H遷移是很普遍的熱反應，活化能約35Kcal/mol.同面/同面同面/異面異面/異面下面化合物的重排說明[1,3]C遷移中心碳構型翻轉：甲基取代的環庚三烯的熱重排被假設通過了其共價互變異構體降皆二烯s-移變1,5-碳同面遷移原子構型保持，例如：IIIIII分離得到的產物是III,它是在碳遷移后又經氫遷移的產物，但氫遷移不改變中心碳的構型。1,7-氫遷移在加熱條件下異面對稱允許，例如，Z,Z-1,3,5-辛三烯轉化成Z,Z,E-2,4,6-辛三烯的活化能約20Kcal/mol.反應也生成了Z,Z,Z-2,4,6-辛三烯,一級同位素效應～7。

kH/kD=7二、[3,3]遷移從合成的角度看，最重要的s－遷移是[3,3]Cope重排。反應在二個1,5-二烯之間建立平衡，平衡有利于熱力學穩定的產物。

例如：產物由于共軛而穩定在C2,C3,C4，C5上有共軛取代基時加速重排。C2,C3上供電子基也促進重排。取代基效應被認為在過渡態中作用在兩個烯丙基上穩定過渡態。過渡態包含六個部分離域的電子，過渡態接近于1,4-雙自由基或二個獨立烯丙基自由基。Cope重排通常經過椅式構象過渡態，一般根據椅式過渡態中減小取代基之間的作用來預測和分析反應的立體化學特征。87%13%大基團在準e鍵，過渡態更穩定。Cope重排一般是可逆過程，雙鍵、單鍵數目在重排前后并不變化。所以，總能量基本不變，平衡位置取決于原料和產物的相對穩定性。張力環的Cope重排可在低溫下進行得到開環產物。其它Cope重排實例：當1,5-二烯C-3上有羥基時，Cope重排產物是烯醇，它進一步轉化成酮。此反應稱Oxy-Cope重排，羰基的形成是反應的推動力。堿對羥化Cope重排有明顯催化作用，當C-3上OH轉化成烷氧基負離子時，速度快1010-1017倍，堿催化的反應稱Anion-oxy-Cope重排，反應速度與陽離子在氧陰離子上的配位有關，反應活性為K+>Na+>Li+。有時季胺鹽可催化陰離子－氧－Cope重排，可能其促進了不活潑離子對的解離。Oxy-CopeAnion-oxy-Cope快1010-1017倍例:123烯丙基乙烯基醚[3,3]重排即Claisen重排,由于產物是羰基化合物，平衡有利于生成產物。反應物烯丙基乙烯基醚由汞離子或H+催化的烯丙醇與乙基乙烯基醚之間交換反應生成。在重排反應條件下制備烯丙基乙烯基醚，不必分離產物即可進行重排。例：Claisen重排一些Claisen重排反應的變種增加了它的功能，擴大了Claisen重排的應用范圍。例如用原酸三酯改進的Claisen重排可在烯丙醇的g-位引人羧酸酯基官能團。混合的原酯酸是反應中間體，它進一步消除和重排。原酸酯Claisen重排的機理和立體化學與Cope重排類似，手性反應物的Claisen重排具有很高的對映選擇性。根據原料烯丙醇中C-O鍵的手性建立新形成的C-C鍵的構型。例如，光學活性的2R,3E-3-戊烯－2-醇用原乙酸三乙酯處理得到光學產率高達90%的重排產物3R,4E-3-甲基－4-己烯酸。新手性中心的構型可根據類椅式過渡態來預測。例CH3C(OEt)3H+140℃CH3C(OEt)3H+128