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[管理学]第十七章 周 环 反 应

* 第十七章 周 环 反 应 第一节 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p轨道和s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。 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。 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。 (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中是至关重要的。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)。 化学键的形成主要是由FMO的相互作用所决定的。 第二节 电环化反应 电环化反应是在光或热的条件下,共轭多烯烃的两端环化成环烯 烃和其逆反应——环烯烃开环成多烯烃的一类反应。例如: 电环化反应是分子内的周环反应,电环化反应的成键过程取决于 反应物中开链异构物的HOMO轨道的对称性。 一、含4n个π电子体系的电环化 以丁二烯为例讨论——丁二烯电环化成环丁烯时,要求: 1.C1—C2,C3—C4沿着各自的键轴旋转,使C1和C4的轨道 结合形成一个新的σ-键。 2.旋转的方式有两种,顺旋和对旋。 3.反应是顺旋还是对旋,取决于分子是基态还是激发态时的 HOMO轨道的对称性。 丁二烯在基态(加热)环化时,起反应的前线轨道HOMO是ψ2 所以丁二烯在基态(加热)环化时,顺旋允许,对旋禁阻。 丁二烯在激发态(光照)环化时,起反应的前线轨道HOMO是ψ3 所以丁二烯在激发态(光照)环化时,对旋允许,顺旋是禁阻。 其他含有π电子数为4n的共轭多烯烃体系的电环化反应的方式也基 本相同。 例如: 二、4n+2个π电子体系的电环化 以己三烯为例讨论,处理方式同丁二烯。先看按线性组合的己三烯的六个分子轨道。 从己三烯为例的π轨道可以看出: 4n+2π电子体系的多烯烃在基态(热反应时)ψ3为HOMO,电环化 时对旋是轨道对称性允许的,C1和C6间可形成σ-键,顺旋是轨道对称 性禁阻的,C1和C6间不能形成σ-键。 4n+2π电子体系的多烯烃在激发态(光照反应时)ψ4为HOMO。 电环化时顺旋是轨道对称性允许的,对旋是轨道对称性禁阻的。 其它含有4n+

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