第24章 周环反应

CH3 H H CH3 con. CH3 H H CH3 H H CH3 CH3
主要产物
但如果3,4-位取代基体积与氢原子接近，譬如取代基为D时，两种顺旋方式 均能够进行，生成两种产物：
(CH3)3SiO (CH3)3SiO D H D H D H H + H D (CH3)3SiO (CH3)3SiO H D D
第24章 周环反应
学习要求
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。 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。 能根据具体条件完成指定的周环反应。
第24章 周环反应
前面章节中讨论了很多有机化学反应，其中绝大多数都可以归结于自由 基反应和离子型反应，它们的共同特点是反应中都有粒子型反应活性中间 体，即自由基和正、负离子。但还有一些反应却不能用这些反应机理来解 释，像狄尔斯-阿德尔反应、克莱森重排反应等。在这些反应中，新键的 形成和旧键的断裂是同时发生的，只有过渡态，而不存在任何反应中间体。 此外，这类反应不受极性试剂、自由基引发剂和抑制剂的影响；反应速度 也几乎不受溶剂极性和酸碱催化剂的影响；具有高度的立体选择性（专一 性），且不受取代基的立体效应和极性效应的影响；只有在加热或光照下 才能进行，但加热或光照将产生不同的立体化学。表1列举了三类反应机
E, Z, E-2,4,6-辛三烯加热140℃时主要生成顺-5,6-二甲基-1,3-环己
二烯，产率达99.5%以上。
CH3 CH3

dis.
CH3 H H CH3
自然界中也存在着这类光化学开环反应。例如，皮肤组织中存在的7-脱 氢胆甾醇在日光作用下，发生光化学开环，进而转变为能够促进Ca2+吸 收的维生素D3：
理的主要特征。
表1 三类有机反应机理的主要特点
类型 中间体 与溶剂的关系
离子反应（亲核试剂+亲电 可以包括正碳离子 、负碳 通常需要极性溶剂 试剂或相反） 离子或其它Lewis酸或碱 自由基反应 （ 自由基的结 自由基 合或共价键的均裂） 关系小，反应可以在气 相中进行
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ周环反应（环和π轨道的重 无活性中间体，过渡态符 关系小，反应可以在气 组） 合Hückel稳定作用 相中进行
dis. CH3 H CH3 H
CH3 H
H CH3 CH3 H
con. CH3 H CH3 H h
CH3 H
图24.4 2,4,6-辛三烯的顺旋（加热）和对旋（光照）
在光化学反应中，2,4,6-辛三烯的HOMO为π4分子轨道该轨道具有C2 轴对称性，两端的p轨道相位相反，只有顺旋，才能使C2和C7上sp3杂化 轨道的相同相位头对头重叠，形成σ键，因此，对于光反应，顺旋是对称 性允许的。E,Z,Z-2,4,6-辛三烯加热时主要生成顺-5,6-二甲基-1,3-环己 二烯。
CH3 H H CH3 CH3 h H H CH3
这些反应都属于周环反应（pericyclic reactions）。为了对这些反 应提出合理的反应机理解释，许多化学家付出了诸多努力。20世纪60 年代，美国化学家R. B. Woodward和R. Hoffmann提出轨道对称性 守恒原理，日本化学家福井谦一提出前线轨道理论。这些学说能够完 满地解释和预测协同反应能否发生及立体化学特征，被认为是近代有 机化学的重大成就之一。为此，R. Hoffmann和福井谦一分享了1981 年度诺贝尔化学奖。
图24.1 Z,E-2,4-己二烯的π分子轨道
2,4-己二烯在进行电环化反应转变为3,4-二甲基环丁烯时，必须在C2和 C5两个碳原子之间形成一个新的σ键。这就要求（1）C2和C5上的p轨道以 及这些碳原子上的取代基一起分别以C2-C3键和C4-C5键为轴进行旋转， 同时（2）p轨道逐渐转变为sp3杂化轨道，并相互重叠形成σ键。这种旋转 有两种方式，一种为顺旋（conrotatory），即二烯体系的两端及其所连基 团均按顺时针方向或按反时针方向朝同一方向旋转；另一种为对旋 （disrotatory），即朝相反方向旋转。 在加热条件下，2,4-己二烯分子处于基态，其电环化反应只涉及最高已 占轨道π2轨道，该轨道具有C2轴对称性。
h H HO H HO H
[1,7]-H H HO
维生素D3
24.1.3 电环化反应的选择规律 电环化反应的选择规律取决于共轭体系中的π电子数目和反应条件， 可以归纳如下：
§24.1 电环化反应
电环化反应是周环反应的主要类型之一。凡在线性共轭体系两端、由 两个π电子生成一个新的σ键而成环，或者反过来，由环状体系中一个σ键 生成新的两个π键而开环，都称为电环化反应。电环化反应的立体化学取 决于共轭体系中的π电子数目和反应的条件。 24.1.1 含4n个π电子共轭体系的电环化反应
CH3 H H CH3 Ph H H Ph
CH3

con. H Ph
H CH3

con. H
H Ph
CO2CH3 H H CO2CH3
CO2CH3

con. H
H CO2CH3
反-3,4-二甲基环丁烯在加热条件下开环时，主要生成 E,E-2,4-己二烯 （>98%）。而Z,Z-2,4-己二烯产率很低，显然，这是由于 E,E-异构体比 Z,Z-更为稳定的原因。因此，开环时只取其中一种空间有利的顺旋方式。
CH3 H CH3 H

con.
CH3 H H CH3
电环化反应是可逆的，根据微 观可逆性原理，正反应和逆反应 所经过的途径是相同的，因此以 上对2,4-己二烯成环反应的分析 结果同样适用于开环反应。因此， 顺-3,4-二甲基环丁烯在加热条件 下开环时，只生成 Z,E-2,4-己二 烯。由于电环化反应的立体化学 主要取决于轨道对称性，与取代 基的电性及体积关系不大，因而， 顺-3,4-二苯基环丁烯和顺-3,4二甲氧羰基环丁烯开环时也只生 成Z,E-产物。
对于含4个π电子共轭体系，如2,4-己二烯而言，其π分子轨道与1,3-丁二 烯相似，四个p原子轨道线性组合得到四个π分子轨道（图24.1）。
H CH3 H
CH3
LUMO
LUMO
H CH3 H
CH3
HOMO
HOMO
H CH3 H
CH3
H CH3 H
基态 （热反应）
CH3
第一激发态 （光反应）
根 据 能 量最 低 原 理 ， 基态时四个π电子填充 （占据）在能量最低 的两个分子轨道 π1 和 π2 中 。 这 样 ， 2,4- 己 二 烯 在基 态时 ， π2 轨 道为最高已占轨道 （HOMO），而 π3轨 道为最低未占轨道 （ LUMO ） 。 电 环 化 反应是单分子反应 ， 只涉及最高已占轨道。
CH
CH
CH
CH
CH
CH3
CH3 CH
CH
CH
CH
CH
CH
CH3
CH3 CH 基态 （热反应）
CH
CH
CH
CH
CH
CH3 第一激发态 （光反应）
图24.4 2,4,6-辛三烯的π分子轨道
在热反应中，2,4,6-辛三烯的HOMO为π3分子轨道。该轨道具有m面对称 性，两端的p轨道相位相同，因此，对旋时C2和C7上由原先的p轨道转变 而来的sp3杂化轨道，对称性匹配，能够形成σ键，是对称性允许的。相反， 顺旋将导致两个sp3杂化轨道的相位不匹配，或者说是对称性禁阻的。因此， E,Z,Z-2,4,6-辛三烯加热时主要生成反-5,6-二甲基-1,3-环己二烯。
三类有机反应机理的主要特点类型中间体与溶剂的关系离子反应亲核试剂亲电试剂或相反可以包括正碳离子负碳离子或其它lewis酸或碱通常需要极性溶剂自由基反应自由基的结合或共价键的均裂自由基关系小反应可以在气相中进行周环反应环和轨道的重无活性中间体过渡态符合hckel稳定作用关系小反应可以在气相中进行例如下列反应具有高度的立体选择性ze24己二烯的纯度高达99995
周环反应是继自由基反应和离子型反应之后的第三大有 机反应，主要包括电环化反应（electrocyclic reactions）、环加 成 反 应 （ cycloaddition reactions ） 和 σ- 迁 移 反 应
（sigmatropic reactions）。
福井谦一(1918～1998)日本物理化学家 1962年提出前线轨道理论，成为了解和探索分 子化学反应能力的理论工具。于1981年获奖。
前线轨道（frontier orbital）理论认为，正如原子间的反应取决于原 子中的最外层电子即价电子所在的原子轨道一样，分子进行反应时主要取 决于分子轨道中的前线轨道。所谓前线轨道是指已被电子占据的分子轨道 中能量最高的分子轨道和未被电子占据的分子轨道中能量最低的分子轨道， 前者简称最高已占轨道（HOMO, the highest occupied molecular orbital），后者简称最低未占轨道（LUMO, the lowest unoccupied molecular orbital）。由于二烯烃分子的电环化反应是由两个π电子生成 一个新的σ键的反应或其逆反应，因此，必须也只须考虑其π分子轨道的前 线轨道及其相位的对称性。
CH3 H CH3 H h dis.
CH3 H H CH3
而反-3,4-二甲基环丁烯在光照条件下开环时，也只生成 Z,E-2,4-己二烯。 需要指出的是，计算开环反应中涉及的π电子数时，应该以开环产物中π电 子数计算。 综上所述，环丁烯的电环化反应可以总结如下：
CH3 H CH3 H CH3 H h H CH3 CH3 H H CH3 h CH3 H H CH3
24.1.2 含4n+2个π电子共轭体系的电环化反应 2,4,6-辛三烯是一种典型的含4n+2个π电子共轭体系，其π分子轨道为：
CH3 CH CH CH CH CH CH CH3
CH3 CH
CH
CH
CH
CH
CH
CH3
LUMO
LUMO
CH3 CH
CH
CH
CH
CH
CH
CH3
HOMO
HOMO
CH3 CH
CH3 H CH3 H CH3
b
H con.
a b
H
H CH3 H
CH3
a b
a
con.
H H
CH3 H
CH3 CH3 H
b
CH3
dis.
a b
H CH3 H
CH3
a b
a
dis.
CH3
图24.3 光照条件下Z,E-2,4-己二烯π3*分子轨道的顺旋和对旋
因此，在光照条件下， Z,E-2,4-己二烯关环时，只生 成反-3,4-二甲基环丁烯。

con.
(CH3)3SiO (CH3)3SiO
47.7%
52.3%
而在光照条件下，2,4-己二烯分子吸收光能，π2轨道上的成对电子有一个 被激发到π3*轨道，这时分子处于激发态，π3*轨道成为电环化反应涉及的 最高已占轨道。因此对旋时，由C2和C5上的p轨道转变而来的sp3杂化轨 道，对称性匹配，能够形成σ键，是对称性允许的。相反，顺旋时，两个 sp3杂化轨道的对称性不匹配，或者说是对称性禁阻的。
例如，下列反应
CH3 H H CH3 CH3

H CH3 H
具有高度的立体选择性， Z,E-2,4-己二烯的纯度高达99.995%。如果 将-CH3替换为-C6H5时，Z,E-异构体的立体选择性也达99%；将-CH3替 换为-CO2CH3 时，Z,E-异构体为唯一产物。显然，这些反应的立体化学 不受取代基的立体效应和极性效应的影响。但如果将反应条件由加热变成 光照，则几乎全部生成Z,Z-异构体：
CH3 H CH3 H CH3
b
H
a a b
H
对称性 允许
con. H H
b
H CH3 H
CH3
a b
con. CH3 H CH3 CH3 H
CH3
dis.
a b
H CH3 H
CH3
a b
a
dis.
CH3
对称性 禁阻
图24.2 加热条件下Z,E-2,4-己二烯π2分子轨道的顺旋和对旋
轨道对称性守恒原理指出，协同反应中反应物转变为产物时，轨道的对 称性保持不变。这就是说，在成环反应中，由2,4-己二烯中C2和C5上的p 轨道转变成3,4-二甲基环丁烯中C3和C4上的sp3杂化轨道，或者开环反应 中，由3,4-二甲基环丁烯中C3和C4上的sp3杂化轨道转变成2,4-己二烯中 C2和C5上的p轨道时，轨道的对称性是保持不变的。因此顺旋时，由C2 和C5上的p轨道转变而来sp3杂化轨道，头对头相互重叠的一瓣相位相同， 对称性匹配，能够形成σ键，是对称性允许的。相反，对旋时，两个sp3杂 化轨道的对称性不匹配，或者说是对称性禁阻的。因此，Z,E-2,4-己二烯 在加热条件下开环时，只生成顺-3,4-二甲基环丁烯。
霍夫曼(1937～) 美国化学家 伍 德 沃 德 (1917 ～ 1979)美国化学家 1965年霍夫曼与导师伍德沃德(1965年化学奖获得者) 共同提出了分子轨道 对称守恒原理。 运用这一原理， 化学家无须进行复杂的计算，只要考虑反 应物和产物 的对称性质就能判断反应能否发生。霍夫曼于1981年 获奖，伍 德沃德于1979年逝世未能再次获奖。