有機合成化學與路線設計chapter9

1、chapter9 環(huán)化反應環(huán)化反應 到此為止，對于形成環(huán)狀分子的成鍵反應很少到此為止，對于形成環(huán)狀分子的成鍵反應很少給以注意。因此，構成分子骨架的最后一章，我們給以注意。因此，構成分子骨架的最后一章，我們考慮的導致閉環(huán)的反應?？紤]的導致閉環(huán)的反應。第一類的成環(huán)反應，無非是在前面各章節(jié)部分第一類的成環(huán)反應，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的分子內的按照分子間所描述的那些反應的分子內的變型（這無疑地是最大的一類）。變型（這無疑地是最大的一類）。第二類反應是分子間的，涉及兩個不同分子之第二類反應是分子間的，涉及兩個不同分子之間同時形成兩個鍵。這種反應過程通常稱間同時形成兩個鍵。這種反

2、應過程通常稱之為環(huán)加成反應。之為環(huán)加成反應。Diels-Alder反應是我們反應是我們最熟知的例子。最熟知的例子。第三類的成環(huán)反應包含電環(huán)化反應，它是分子第三類的成環(huán)反應包含電環(huán)化反應，它是分子內反應而在機理方面與環(huán)加成反應有關。內反應而在機理方面與環(huán)加成反應有關。 環(huán)化反應（環(huán)化反應（Pericyclic Reaction）通常是指經由協(xié)同通常是指經由協(xié)同式的鍵結轉移，而形成環(huán)狀化合物。式的鍵結轉移，而形成環(huán)狀化合物。環(huán)化反應包括環(huán)化反應包括: 電子環(huán)化反應（電子環(huán)化反應（electrocyclizationelectrocyclization） 鉗合反應（鉗合反應（cheletropicc

3、heletropic reaction reaction） 2+2 2+2，3+23+2，4+2 4+2 等等 環(huán)化加成反應（環(huán)化加成反應（cycloadditioncycloaddition） 電子環(huán)化及鉗合反應是電子環(huán)化及鉗合反應是6 6電子的電子的鍵互變，而鍵互變，而形成新的環(huán)狀化合物。形成新的環(huán)狀化合物。環(huán)化加成反應則是兩個反應物同時形成兩個環(huán)化加成反應則是兩個反應物同時形成兩個鍵結，而得到環(huán)狀產物。鍵結，而得到環(huán)狀產物。與閉環(huán)反應相比，開環(huán)反應在合成上則使用與閉環(huán)反應相比，開環(huán)反應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的較少，但是，在某些特殊的情況下仍是相當有價值的

4、。價值的。 conrorationdisrorationSO2+SO2disrorationClClCCl2+電子環(huán)化電子環(huán)化：鉗合：鉗合： 螯合反應螯合反應: R2C=C=OR2C=C=O+RRRROOCH2=C=OCH2=C=O+OOCH2=C=CH2CH2=CH CN+CN2,2 環(huán)加成環(huán)加成 CH2=CH2PhC N O+_+NOPhCHOCHO+3,2 環(huán)化加成環(huán)化加成4,2 環(huán)化加成環(huán)化加成這些環(huán)化的特點是：這些環(huán)化的特點是： 反應的熵減少，幸而活化所需的焓不高，因此反反應的熵減少，幸而活化所需的焓不高，因此反應得以進行；也是這個緣故，反應常是可逆的。應得以進行；也是這個緣故，反應

5、常是可逆的。 反應常常具有立體專一性，這是協(xié)同式反應機理反應常常具有立體專一性，這是協(xié)同式反應機理的結果。的結果。9.1 Diels-Alder 反應反應 一般一般 4,2 4,2 環(huán)加成反應，稱為環(huán)加成反應，稱為Diels-AlderDiels-Alder反應。反應。四個原子的部分，通常是雙烯類（四個原子的部分，通常是雙烯類（dienesdienes），），而二個原而二個原子的部分是烯類，又稱雙親烯基（子的部分是烯類，又稱雙親烯基（dienophilesdienophiles）。）。一、一、Diels-Alder 反應的特點：反應的特點：1. 對雙烯類為電子豐盈者，則親雙烯基必須是電子對雙烯

6、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；缺乏性的烯類，才能夠促使環(huán)化加成反應；2. 反應對于二烯和親二烯體兩者都是立體專一地順反應對于二烯和親二烯體兩者都是立體專一地順式加成；式加成；3. 二烯必須采用順式構象二烯必須采用順式構象, 若二烯被固定成反式構象，若二烯被固定成反式構象，則不能發(fā)生則不能發(fā)生Diels-AlderDiels-Alder反應；反應；9.1 Diels-Alder 反應反應 （無此產物）4. 內向的加成產物常常比外向的加成物占優(yōu)勢。內向的加成產物常常比外向的加成物占優(yōu)勢。9.1 Diels-Alder 反應反應 OOOHHOOO+209.

7、1 Diels-Alder 反應反應 一般使用的電子豐盈雙烯是指推電子基，如烷基，一般使用的電子豐盈雙烯是指推電子基，如烷基，甲氧基（甲氧基（CH3O）二甲胺基（二甲胺基（Me2N），），硫基（硫基（RS），），硅硅氧基（氧基（Me3SiO）乙酰氧基（乙酰氧基（CH3CO2）等。等。Danishefsky雙烯雙烯:YY=Me,OMe,NMe,SPh,OSiMe2,OAcOMeMe2SiO9.1 Diels-Alder 反應反應 關環(huán)雙烯關環(huán)雙烯:隱藏性雙烯隱藏性雙烯合非碳原子之對等物合非碳原子之對等物含三鍵之對等物含三鍵之對等物OSOOSO2CR2=CH CH=OCR2=CH C CR9.1

8、Diels-Alder 反應反應 而而 3丁二烯砜（丁二烯砜（3-sulfolene）及環(huán)丁烯是隱藏性的及環(huán)丁烯是隱藏性的雙烯，加熱時即得雙烯，加熱時即得1,3丁二烯，有的含非碳原子或三鍵的丁二烯，有的含非碳原子或三鍵的化合物也可替代雙烯的地位，而進行化合物也可替代雙烯的地位，而進行Diels-Alder反應。反應。一般使用電子缺乏性烯類是指含吸電子基。如羰基，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，及砜基羧基，硝基，及砜基SO2R等。含兩個拉電子基者，其反等。含兩個拉電子基者，其反應力更強。應力更強。OOOOOCHOCO2H9.1 Diels-Alder 反應反應 二、炔類

9、和含非碳原子的親雙烯二、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。類，硫酮及腈類等也可以做為親雙烯基。MeO2CC CCO2MeR2C=NREtO2C N=N CO2EtCCl3CH=OO=C(CO2R)2R2C=SRC N9.1 Diels-Alder 反應反應 以以 Lewis 酸為催化劑可促進酸為催化劑可促進 Diels-Alder反應的速率，反應的速率，主要是因為主要是因為 Lewis 酸先與吸電子基的烯類結合，除了增酸先與吸電子基的烯類結合，除了增加反應速率外，也較具立體選擇性和

10、位置選擇性：加反應速率外，也較具立體選擇性和位置選擇性：CH2=CHCO2HHCO2HCO2HH+0 ,no catalyst78_,AlCl3 cat.endoexo84%16%97%3%9.1 Diels-Alder 反應反應 由于電子效應，內加成物比外加成物較易產生，稱由于電子效應，內加成物比外加成物較易產生，稱為第二效應（為第二效應（secondary effect）。）。同樣的，對位加成物同樣的，對位加成物或鄰位加成物會多于間位加成物：或鄰位加成物會多于間位加成物：OOO+parameta71%29%93%7%PhH, ,SnCl425PhCH3, ,no cat.1209.1 Di

11、els-Alder 反應反應 三、不對稱二烯和親二烯體的加成反應三、不對稱二烯和親二烯體的加成反應RR1RR1RR1+RR1RR1RR1+如果二烯和親二烯體二者都是不對稱的，那么如果二烯和親二烯體二者都是不對稱的，那么Diels-Alder加成可經二種途徑發(fā)生而得到混合的加成異構體，加成可經二種途徑發(fā)生而得到混合的加成異構體，主要的主要的Diels-Alder加成物如下所示，應當注意，在上述加成物如下所示，應當注意，在上述兩種情況中，間位二取代的產物是較少的異構體。兩種情況中，間位二取代的產物是較少的異構體。9.1 Diels-Alder 反應反應 HCO2HHCO2HCO2HHCO2HH+7

12、5HCO2HHOC2HCH3CO2CH3CH3CO2CH3CH3CO2CH3+(61%)(3%)CH3CO2CH3CH3CO2CH3CH3CO2CH3+(45%)(8%)9.1 Diels-Alder 反應反應 DielsAlder 加成反應，可以合成多種環(huán)的復雜化合加成反應，可以合成多種環(huán)的復雜化合物，如下面所列舉的各反應。應用物，如下面所列舉的各反應。應用C=O，C=S，C-N及及CN等基團作為親雙烯基的例子也列舉在下面的反應中。等基團作為親雙烯基的例子也列舉在下面的反應中。CH3CH3OO2+C2H5OH5hr,refluenceOOCH3CH3CH3CH3(60%)+OCO2CH3CO

13、2CH35hr,refluenceOCO2CH3CO2CH3(77%)9.1 Diels-Alder 反應反應 +CH3IClnC4H9LiCH3OOCH3(43%)+CH3CH3NCCNCNCH3CN(83%)+CH3CH3ONPhNPhOCH3CH3(66%)9.1 Diels-Alder 反應反應 MeOHOOOOOHOMeOOOHHHMeOHO9.1 Diels-Alder 反應反應 HHCH3CH3NCO2C2H5NCO2C2H5NCO2C2H5NCO2C2H5H3CH3CHH+RRNOOHNOORRH+9.1 Diels-Alder 反應反應 適當地利用電子效應，如適當地利用電子效

14、應，如 Lewis 酸被羥、酮基螯合酸被羥、酮基螯合，及立體效應，如巨大的第三丁基，下面的反應實例中，及立體效應，如巨大的第三丁基，下面的反應實例中，用手性的烯類誘導不對稱環(huán)化加成。，用手性的烯類誘導不對稱環(huán)化加成。OHOHOOMHCHOOHHZnCl2(98%ee)9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 1,3偶極環(huán)化加成（偶極環(huán)化加成（1,3-dipolar cycloaddition）是一種是一種 3+2 的環(huán)化加成反應。三個原子的部分的環(huán)化加成反應。三個原子的部分以以HOMO與烯類的與烯類的 LUMO作用。作用。abcd=e+3+2decba9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)

15、化加成反應 1,3偶極分子可以是臭氧偶極分子可以是臭氧O3，疊氮疊氮RN3等含等含相同原子者，也可以是含不同類型的原子。相同原子者，也可以是含不同類型的原子。OzoneazidediazomethaneNitrile oxideNitrile ylideR C N CH2R C N CH2R C N OR C N OH2C N NH2C N NR N N NR N N NR N N NO O OO O O9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 疊氮類化合物與烯類進行環(huán)化加成反應產生疊氮類化合物與烯類進行環(huán)化加成反應產生三唑啉三唑啉( (triazolinetriazoline) )，在

16、更高溫度時，則分解在更高溫度時，則分解脫氮而形成乙烯亞胺脫氮而形成乙烯亞胺( (aziridineaziridine) )的三員環(huán)化合的三員環(huán)化合物，如下面的各反應：物，如下面的各反應：HHHHNNNHHPhPh N N N+100%20150N2NPh9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 ONNO1,3155ON3ONNN25509.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 腈氧類偶極化合物通常是由鹵烷或醛類來制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。備，其與烯類、炔類都可進行環(huán)化加成反應。RCH2XRCH2NO2RC N ONaNO2pCl

17、C6H4N=C=OH2ORCHORCH=N OHRC N OH2NOHNaOClO9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 若 是 分 子 內 的 加 成 反 應 ， 特 別 稱 為若 是 分 子 內 的 加 成 反 應 ， 特 別 稱 為 I N O C（intramolecular nitrile oxide cycloaddition）。）。其生成的其生成的isoxazoline類加成物：類加成物：Ph CN OHClONPhPhHEt3NEt2O,20Ph C N OPhC CH經二異丁基鋁氫還原，得到經二異丁基鋁氫還原，得到 3胺基醇類；經加胺基醇類；經加氧作用，得到氧作用，得

18、到 3羥基酮類；經羥基酮類；經 LAD 脫質子得到脫質子得到，-不飽和醛酮類；在不飽和醛酮類；在C-3C-3無取代的無取代的 isoxazolineisoxazoline（R R=H=H），），則以堿水處理下，得到則以堿水處理下，得到3 3羥基腈。羥基腈。9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 R C N O+ONRCH3CH=CH2iBu2AlHH2,Raney NiiPr2NLi( R=H )OHRNH2OHROOHRNOHCOHN9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 重氮烷類與雙鍵進行重氮烷類與雙鍵進行1,3偶極加成反應，生成二氫偶極加成反應，生成二氫吡唑吡唑(pyra

19、zoline)的產物，但在稍高的溫度，或在酸、重的產物，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)的最終產物，金屬等催化下，極易脫氧，而形成三員環(huán)的最終產物，如下面的反應。重氮烷類可與苯作用，稱為如下面的反應。重氮烷類可與苯作用，稱為Buchner反應反應；將羧類轉變成甲酯；與酰氯作用，并在硝酸銀水溶液；將羧類轉變成甲酯；與酰氯作用，并在硝酸銀水溶液中轉變成多一個碳的羧酸，稱為中轉變成多一個碳的羧酸，稱為Arndt-Eistert反應。反應。PhCNClCH2NO2Et3N0PhC N CHNO2CHNCPhCNNO2CHNCPhNO2NCCH2CH CN86%9.2 1,

20、3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 與酮類化合物發(fā)生擴環(huán)反應：與酮類化合物發(fā)生擴環(huán)反應：(63%)(15%)OO+OCH3N(NO)CONH2OCH N N+KOH259.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 1,3偶極分子其電子間是可轉移的，即電子的分配偶極分子其電子間是可轉移的，即電子的分配不一定可由原子的陰電子性預測，其電荷間是互變的。不一定可由原子的陰電子性預測，其電荷間是互變的。由于這個緣故，在進行環(huán)化加成反應時，其位置選擇性由于這個緣故，在進行環(huán)化加成反應時，其位置選擇性并不容易預測。這類的環(huán)加成反應也是一個并不容易預測。這類的環(huán)加成反應也是一個4+2的的過程，因此與過程，因

21、此與Diels-Alder反應有關；但反應有關；但4電子組分不是電子組分不是二烯而是二烯而是1,31,3偶極，其中偶極，其中4 4個個電子僅分布在三個原子電子僅分布在三個原子上，因此，至少可以畫出一個正則結構，在該結構中，上，因此，至少可以畫出一個正則結構，在該結構中，原子原子1 1和和3 3帶有相反的電荷。帶有相反的電荷。RN N=N+RN=N=N+RN N N+RN N=N+RCH N=N+RCH=N=N+RCH N N+RCH N=N+9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 下面是下面是1,3偶極環(huán)加成的典型實例：偶極環(huán)加成的典型實例：PhC=NOHClONPhC2H5O2CCl

22、2PhCH=NOH(C2H5)3NPhC N O+CO2C2H5CH2N2H3CH3CHCO2C2H5NNHCH3CH3CC2H5O2NNHCH3CH3CC2H5O2H+H+(75%)9.2 1,3偶極環(huán)化加成反應偶極環(huán)化加成反應 RCO2HCH2N2RCO2CH3+RCOClRCOCH=N=NRCH=C=O+CH2N22Ag+H2ORCH2CO2H9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成碳烯和氮烯對烯烴的加成 碳烯是不帶電荷的缺電子碳，即碳烯是不帶電荷的缺電子碳，即R2C：它們中最典型它們中最典型的，并且在合成上最有價值的反應是對烯烴的加成反應的，并且在合成上最有價值的反應是對烯烴的加成反應得到環(huán)丙烷

23、類化合物。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。而得到環(huán)氮烷類化合物。CR2CR2NRNR9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成碳烯和氮烯對烯烴的加成 加成反應的確切機理取決于在碳烯或氮烯中非鍵電加成反應的確切機理取決于在碳烯或氮烯中非鍵電子的排布。子的排布。如果二個電子在同一軌道中而另一軌道是空的如果二個電子在同一軌道中而另一軌道是空的即所即所謂單線態(tài)謂單線態(tài)，那么加成則可認為是涉及，那么加成則可認為是涉及HOMO和和LUMO相相互作用的互作用的2+2環(huán)加成：環(huán)加成：LUMORRHOMORRHOMOLUMOR

24、 RHOMOLUMORRRRor9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成碳烯和氮烯對烯烴的加成 如果兩個電子處在不同的軌道，那么加成反如果兩個電子處在不同的軌道，那么加成反應是按自由基途徑并且不是協(xié)同而是分步地進行。應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，烯烴的相對構型協(xié)同的加成是立體專一的，烯烴的相對構型仍然保持中產物中；仍然保持中產物中；CH3HHCH3BrBrHHCH3HCHBr3(CH3)3COK(68%)9.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成碳烯和氮烯對烯烴的加成 CH3HCH3HNN+hv+HHH3CCH3HHH3CCH39.3 碳烯和氮烯對烯烴的加成碳烯和氮烯對烯烴的加

25、成 從烯烴形成環(huán)丙烷類化合物的另一種方法可從烯烴形成環(huán)丙烷類化合物的另一種方法可通過通過Simmons - Smith反應來提供，它包括烯烴反應來提供，它包括烯烴與二鹵甲烷以及鋅（通常是在銅存在下）的反應。與二鹵甲烷以及鋅（通常是在銅存在下）的反應。 CH2ZnCH2ZnI+CH2ZnII+CH2=CHCOCH3(50%)CH2 2I+Zn/CuCOCH39.4 9.4 電環(huán)化閉環(huán)電環(huán)化閉環(huán) Diels-Alder反應和反應和1,3-偶極環(huán)加成反應均已偶極環(huán)加成反應均已在前面介紹，每一個反應都涉及在前面介紹，每一個反應都涉及6個個-電子經過電子經過一個環(huán)狀過濾態(tài)而再分配。一個環(huán)狀過濾態(tài)而再分配

26、。如果這如果這6 6個個-電子包電子包含在同一分子內，類似的再分配便可發(fā)生在分子含在同一分子內，類似的再分配便可發(fā)生在分子內，因此，這種分子內的周環(huán)過程就稱為電環(huán)化內，因此，這種分子內的周環(huán)過程就稱為電環(huán)化反應：反應：9.4 9.4 電環(huán)化閉環(huán)電環(huán)化閉環(huán) 如同如同Diels-Alder反應和反應和1,3偶極環(huán)加成反應偶極環(huán)加成反應一樣，該反應也是立體專一的，例如一樣，該反應也是立體專一的，例如:HHDMSO50CH3CH3HHCH3CH3(99%)132pentaneCH3CH3178cyclhextoneCH3HHCH3(high yield)9.4 9.4 電環(huán)化閉環(huán)電環(huán)化閉環(huán) 產物的立體

27、化學可用前線軌道理論來解釋。產物的立體化學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：，閉環(huán)是一種對旋過程：RR1R1RR1RR1RR RR1R19.4 9.4 電環(huán)化閉環(huán)電環(huán)化閉環(huán) 電環(huán)化閉環(huán)也可通過光化學法來發(fā)生。在這電環(huán)化閉環(huán)也可通過光化學法來發(fā)生。在這種反應中，產物的立體化學與通過熱環(huán)化所得到種反應中，產物的立體化學與通過熱環(huán)化所得到產物的立體化學相反，例如：產物的立體化學相反，例如：CH3CH3H3CH3CHCH3hv(10%)CH2CH2hv(95%)H Hhv(27%)9.4 9.4 電環(huán)化閉環(huán)

28、電環(huán)化閉環(huán) 照射底物導致促使一個電子進入鄰近的較高能級的軌照射底物導致促使一個電子進入鄰近的較高能級的軌道，即基態(tài)的道，即基態(tài)的LUMO。這樣，原來的這樣，原來的LUMO現在就變成現在就變成了光化學閉環(huán)的了光化學閉環(huán)的HOMO，對于二烯和三烯，其結果，閉對于二烯和三烯，其結果，閉環(huán)分別是對旋和順旋。環(huán)分別是對旋和順旋。R1RRR1R1RRR1R1R1R RR1RRR1R1RRR1R1RR R19.4 9.4 電環(huán)化閉環(huán)電環(huán)化閉環(huán) 照射烯烴也導致照射烯烴也導致E-和和Z-異構體的相互轉化，異構體的相互轉化，因此，雙鍵構型不固定的二烯或三烯可發(fā)生這種因此，雙鍵構型不固定的二烯或三烯可發(fā)生這種類型的

29、異構化和閉環(huán)反應，例如類型的異構化和閉環(huán)反應，例如:CH3CH3hvCH3CH3CH3CH3HHCH3CH3hvfastslow9.4 9.4 電環(huán)化閉環(huán)電環(huán)化閉環(huán) EZ Z 異構化用于異構化用于1,2-二苯基乙烯的光環(huán)化相當有利。二苯基乙烯的光環(huán)化相當有利。照射任一個異構體，或兩者的混合物（比如從照射任一個異構體，或兩者的混合物（比如從Witting反反應所得到）均得到二氫菲，它在空氣的存在下發(fā)生自動應所得到）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，這也許是目前得到菲衍生物的最簡單的脫氫成菲反應，這也許是目前得到菲衍生物的最簡單的合成途徑。合成途徑。XYHHYhvYXhvXYO29.4 9.