1、第九章 環(huán)化反應(yīng),到此為止，對于形成環(huán)狀分子的成鍵反應(yīng)很少給以注意。因此，構(gòu)成分子骨架的最后一章，我們考慮的導(dǎo)致閉環(huán)的反應(yīng)。 第一類的成環(huán)反應(yīng)，無非是在前面各章節(jié)部分按照分子間所描述的那些反應(yīng)的分子內(nèi)的變型（這無疑地是最大的一類）。 第二類反應(yīng)是分子間的，涉及兩個不同分子之間同時形成兩個鍵。這種反應(yīng)過程通常稱之為環(huán)加成反應(yīng)。Diels-Alder反應(yīng)是我們最熟知的例子。 第三類的成環(huán)反應(yīng)包含電環(huán)化反應(yīng)，它是分子內(nèi)反應(yīng)而在機理方面與環(huán)加成反應(yīng)有關(guān)。,第九章 環(huán)化反應(yīng),環(huán)化反應(yīng)（Pericyclic Reaction）通常是指經(jīng)由協(xié)同式的鍵結(jié)轉(zhuǎn)移，而形成環(huán)狀化合物。 環(huán)化反應(yīng)包括: 電子環(huán)化反應(yīng)（

2、electrocyclization） 鉗合反應(yīng)（cheletropic reaction） 2+2，3+2，4+2 等 環(huán)化加成反應(yīng)（cycloaddition）,第九章 環(huán)化反應(yīng),電子環(huán)化及鉗合反應(yīng)是6電子的鍵互變，而形成新的環(huán)狀化合物。 環(huán)化加成反應(yīng)則是兩個反應(yīng)物同時形成兩個鍵結(jié)，而得到環(huán)狀產(chǎn)物。 與閉環(huán)反應(yīng)相比，開環(huán)反應(yīng)在合成上則使用的較少，但是，在某些特殊的情況下仍是相當有價值的。,第九章 環(huán)化反應(yīng),電子環(huán)化：,鉗合： 螯合反應(yīng):,第九章 環(huán)化反應(yīng),2,2 環(huán)加成,第九章 環(huán)化反應(yīng),3,2 環(huán)化加成,4,2 環(huán)化加成,這些環(huán)化的特點是： 反應(yīng)的熵減少，幸而活化所需的焓不高，因此反應(yīng)得

3、以進行；也是這個緣故，反應(yīng)常是可逆的。 反應(yīng)常常具有立體專一性，這是協(xié)同式反應(yīng)機理的結(jié)果。,91 Diels-Alder 反應(yīng),一般 4,2 環(huán)加成反應(yīng)，稱為Diels-Alder反應(yīng)。四個原子的部分，通常是雙烯類（dienes），而二個原子的部分是烯類，又稱雙親烯基（dienophiles）。 一、Diels-Alder 反應(yīng)的特點： 1. 對雙烯類為電子豐盈者，則親雙烯基必須是電子缺乏性的烯類，才能夠促使環(huán)化加成反應(yīng)； 2. 反應(yīng)對于二烯和親二烯體兩者都是立體專一地順式加成； 3. 二烯必須采用順式構(gòu)象, 若二烯被固定成反式構(gòu)象，則不能發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)；,91 Diels-A

4、lder 反應(yīng),（無此產(chǎn)物）,4. 內(nèi)向的加成產(chǎn)物常常比外向的加成物占優(yōu)勢。,91 Diels-Alder 反應(yīng),91 Diels-Alder 反應(yīng),一般使用的電子豐盈雙烯是指推電子基，如烷基，甲氧基（CH3O）二甲胺基（Me2N），硫基（RS），硅氧基（Me3SiO）乙酰氧基（CH3CO2）等。 Danishefsky雙烯:,91 Diels-Alder 反應(yīng),關(guān)環(huán)雙烯: 隱藏性雙烯 合非碳原子之對等物 含三鍵之對等物,91 Diels-Alder 反應(yīng),而 3丁二烯砜（3-sulfolene）及環(huán)丁烯是隱藏性的雙烯，加熱時即得1,3丁二烯，有的含非碳原子或三鍵的化合物也可替代雙烯的地位，而

5、進行Diels-Alder反應(yīng)。 一般使用電子缺乏性烯類是指含吸電子基。如羰基，羧基，硝基，及砜基SO2R等。含兩個拉電子基者，其反應(yīng)力更強。,91 Diels-Alder 反應(yīng),二、炔類和含非碳原子的親雙烯,有的炔類和含非碳原子者，如亞胺，重氮，醛類酮類，硫酮及腈類等也可以做為親雙烯基。,91 Diels-Alder 反應(yīng),以 Lewis 酸為催化劑可促進 Diels-Alder反應(yīng)的速率，主要是因為 Lewis 酸先與吸電子基的烯類結(jié)合，除了增加反應(yīng)速率外，也較具立體選擇性和位置選擇性：,91 Diels-Alder 反應(yīng),由于電子效應(yīng)，內(nèi)加成物比外加成物較易產(chǎn)生，稱為第二效應(yīng)（secon

6、dary effect）。同樣的，對位加成物或鄰位加成物會多于間位加成物：,91 Diels-Alder 反應(yīng),三、不對稱二烯和親二烯體的加成反應(yīng),如果二烯和親二烯體二者都是不對稱的，那么Diels-Alder加成可經(jīng)二種途徑發(fā)生而得到混合的加成異構(gòu)體，主要的Diels-Alder加成物如下所示，應(yīng)當注意，在上述兩種情況中，間位二取代的產(chǎn)物是較少的異構(gòu)體。,91 Diels-Alder 反應(yīng),91 Diels-Alder 反應(yīng),DielsAlder 加成反應(yīng)，可以合成多種環(huán)的復(fù)雜化合物，如下面所列舉的各反應(yīng)。應(yīng)用C=O，C=S，C-N及CN等基團作為親雙烯基的例子也列舉在下面的反應(yīng)中。,91

7、Diels-Alder 反應(yīng),91 Diels-Alder 反應(yīng),M,e,O,H,O,O,O,O,O,H,O,M,e,O,O,O,H,H,H,M,e,O,H,O,91 Diels-Alder 反應(yīng),91 Diels-Alder 反應(yīng),適當?shù)乩秒娮有?yīng)，如 Lewis 酸被羥、酮基螯合，及立體效應(yīng)，如巨大的第三丁基，下面的反應(yīng)實例中，用手性的烯類誘導(dǎo)不對稱環(huán)化加成。,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),1,3偶極環(huán)化加成（1,3-dipolar cycloaddition）是一種 3+2 的環(huán)化加成反應(yīng)。三個原子的部分以HOMO與烯類的 LUMO作用。,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),1,3偶極分子可

8、以是臭氧O3，疊氮RN3等含相同原子者，也可以是含不同類型的原子。,Ozone azide diazomethane Nitrile oxide Nitrile ylide,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),疊氮類化合物與烯類進行環(huán)化加成反應(yīng)產(chǎn)生三唑啉(triazoline)，在更高溫度時，則分解脫氮而形成乙烯亞胺(aziridine)的三員環(huán)化合物，如下面的各反應(yīng)：,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),O,N,N,O,1,3,155,O,N,3,O,N,N,N,25,50,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),腈氧類偶極化合物通常是由鹵烷或醛類來制備，其與烯類、炔類都可進行環(huán)化加成反應(yīng)。,92 1,3偶極環(huán)化

9、加成反應(yīng),若是分子內(nèi)的加成反應(yīng)，特別稱為INOC（intramolecular nitrile oxide cycloaddition）。其生成的isoxazoline類加成物：,經(jīng)二異丁基鋁氫還原，得到 3胺基醇類；經(jīng)加氧作用，得到 3羥基酮類；經(jīng) LAD 脫質(zhì)子得到，-不飽和醛酮類；在C-3無取代的 isoxazoline（R=H），則以堿水處理下，得到3羥基腈。,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),重氮烷類與雙鍵進行1,3偶極加成反應(yīng)，生成二氫吡唑(pyrazoline)的產(chǎn)物，但在稍高的溫度，或在酸、重金屬等催化下，極易脫氧，而形成三員環(huán)的最終產(chǎn)物，如下面的反應(yīng)

10、。重氮烷類可與苯作用，稱為Buchner反應(yīng)；將羧類轉(zhuǎn)變成甲酯；與酰氯作用，并在硝酸銀水溶液中轉(zhuǎn)變成多一個碳的羧酸，稱為Arndt-Eistert反應(yīng)。,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),與酮類化合物發(fā)生擴環(huán)反應(yīng)：,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),1,3偶極分子其電子間是可轉(zhuǎn)移的，即電子的分配不一定可由原子的陰電子性預(yù)測，其電荷間是互變的。由于這個緣故，在進行環(huán)化加成反應(yīng)時，其位置選擇性并不容易預(yù)測。這類的環(huán)加成反應(yīng)也是一個4+2的過程，因此與Diels-Alder反應(yīng)有關(guān)；但4電子組分不是二烯而是1,3偶極，其中4個電子僅分布在三個原子上，因此，至少可以畫出一個正則結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，原子1和3帶有

11、相反的電荷。,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),下面是1,3偶極環(huán)加成的典型實例：,92 1,3偶極環(huán)化加成反應(yīng),9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成,碳烯是不帶電荷的缺電子碳，即R2C：它們中最典型的，并且在合成上最有價值的反應(yīng)是對烯烴的加成反應(yīng)得到環(huán)丙烷類化合物。 氮烯是碳烯的氮類似物，同樣可發(fā)生對烯烴的加成而得到環(huán)氮烷類化合物。,9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成,加成反應(yīng)的確切機理取決于在碳烯或氮烯中非鍵電子的排布。 如果二個電子在同一軌道中而另一軌道是空的即所謂單線態(tài)，那么加成則可認為是涉及HOMO和LUMO相互作用的2+2環(huán)加成：,9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成,如果兩個電子處在不同的軌道，那么

12、加成反應(yīng)是按自由基途徑并且不是協(xié)同而是分步地進行。 協(xié)同的加成是立體專一的，烯烴的相對構(gòu)型仍然保持中產(chǎn)物中；,9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成,9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成,從烯烴形成環(huán)丙烷類化合物的另一種方法可通過Simmons - Smith反應(yīng)來提供，它包括烯烴與二鹵甲烷以及鋅（通常是在銅存在下）的反應(yīng)。,9.4 電環(huán)化閉環(huán),Diels-Alder反應(yīng)和1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)均已在前面介紹，每一個反應(yīng)都涉及6個-電子經(jīng)過一個環(huán)狀過濾態(tài)而再分配。如果這6個-電子包含在同一分子內(nèi)，類似的再分配便可發(fā)生在分子內(nèi)，因此，這種分子內(nèi)的周環(huán)過程就稱為電環(huán)化反應(yīng)：,9.4 電環(huán)化閉環(huán),如同Diels-

13、Alder反應(yīng)和1,3偶極環(huán)加成反應(yīng)一樣，該反應(yīng)也是立體專一的，例如:,9.4 電環(huán)化閉環(huán),產(chǎn)物的立體化學(xué)可用前線軌道理論來解釋。共軛三烯的最高已占分子軌道如下圖所示，因此，閉環(huán)是一種對旋過程：,9.4 電環(huán)化閉環(huán),電環(huán)化閉環(huán)也可通過光化學(xué)法來發(fā)生。在這種反應(yīng)中，產(chǎn)物的立體化學(xué)與通過熱環(huán)化所得到產(chǎn)物的立體化學(xué)相反，例如：,9.4 電環(huán)化閉環(huán),照射底物導(dǎo)致促使一個電子進入鄰近的較高能級的軌道，即基態(tài)的LUMO。這樣，原來的LUMO現(xiàn)在就變成了光化學(xué)閉環(huán)的HOMO，對于二烯和三烯，其結(jié)果，閉環(huán)分別是對旋和順旋。,9.4 電環(huán)化閉環(huán),照射烯烴也導(dǎo)致E-和Z-異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，因此，雙鍵構(gòu)型不固定的二

14、烯或三烯可發(fā)生這種類型的異構(gòu)化和閉環(huán)反應(yīng)，例如:,9.4 電環(huán)化閉環(huán),EZ 異構(gòu)化用于1,2-二苯基乙烯的光環(huán)化相當有利。照射任一個異構(gòu)體，或兩者的混合物（比如從Witting反應(yīng)所得到）均得到二氫菲，它在空氣的存在下發(fā)生自動脫氫成菲反應(yīng)，這也許是目前得到菲衍生物的最簡單的合成途徑。,9.4 電環(huán)化閉環(huán),這個方法也相當成功地應(yīng)用在螺烯的合成上。,9.5 開環(huán),作為合成方法，開環(huán)的價值不如閉環(huán)那樣顯著,到目前為止，我們只根據(jù)成鍵反應(yīng)來討論了合成，而鍵斷裂的例子（例如，丙二酸或-酮酸衍生物的脫羧作用).然而，在目前這個部分，我們在一個特定的范圍-開環(huán)-內(nèi)來考慮鍵的斷裂并且其本身就作為一種合成方法。,9.5 開環(huán),9.5 開環(huán),本章所研究的周環(huán)過程的最后類型是一個涉及Cope重排的過程。在僅涉及一個六元環(huán)狀過