環(huán)加成反應(yīng)簡介

環(huán)加成反應(yīng)摘要：環(huán)加成反應(yīng)在有機(jī)合成中有非常重要的應(yīng)用，其基礎(chǔ)理論前線軌道理論也是有機(jī)化學(xué)中非常重要的理論。本文主要簡介環(huán)加成反應(yīng)和前線軌道理論，并對前線軌道在環(huán)加成反應(yīng)中的應(yīng)用做簡要介紹。關(guān)鍵詞：環(huán)加成反應(yīng)前線軌道理論Diels-Alder反應(yīng)環(huán)加成反應(yīng)（CycloadditionReaction）是兩個共軛體系結(jié)合成環(huán)狀分子的一種雙分子反應(yīng),它是由兩個或多個不飽和化合物（或同一化合物的不同部分）結(jié)合生成環(huán)狀加合物，并伴隨有系統(tǒng)總鍵級數(shù)減少的化學(xué)反應(yīng)。這類反應(yīng)是合成單環(huán)及多環(huán)化合物的一種重要方法有關(guān)環(huán)加成反應(yīng)最早是德國化學(xué)家Diels與其學(xué)生Alder等在1928年通過環(huán)戊二烯與順丁烯二酸酐發(fā)生[4＋2]環(huán)加成實現(xiàn)的。常見的環(huán)加成反應(yīng)類型除[4＋2]外，還包括[3＋2],[2＋2＋2],[3＋2＋2],[4＋2＋2]等。環(huán)加成反應(yīng)的主要特點是可以將不飽和鏈狀化合物直接轉(zhuǎn)變成環(huán)狀化合物，包括三元、四元到九元、十元環(huán)等,且原子利用率高。在天然產(chǎn)物的全合成、藥物化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。1、前線軌道理論簡介前線軌道是由日本理論化學(xué)家福井謙一提出的，他指出化合物分子的許多性質(zhì)主要出最高占據(jù)分子軌道相最低未占分子軌道所決定的。凡是處于前線軌道的電子，可優(yōu)先配對。這對選擇有機(jī)合成反應(yīng)路線起決定性作用。鑒于前線軌道理論對于有機(jī)化學(xué)發(fā)展的重要性，他獲得了1981年的諾貝爾化學(xué)獎。前線軌道的幾個基本概念分子周圍的電子云，根據(jù)能量的不同，可以分為不同的能級軌道，根據(jù)能量最低原理，電子優(yōu)先排入能量低的軌道。前線軌道理論中，將占有電子的能級最高的軌道稱之為最高占有軌道，用HOMO表示；未占有電子的能量最低的軌道稱之為最低占有軌道，用LUM0表示（如圖1-1）。有的共軛軌道中含有奇數(shù)個電子，它的最高已占有軌道只有一個電子，這種單電子占有的軌道稱之為單占軌道，用S0M0表示。在分子中，HOMO軌道對于電子的束縛最為薄弱，LUMO軌道對電子的吸引力最強(qiáng)，因而前線軌道認(rèn)為，分子加發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，本質(zhì)上就是HOMO軌道與LUMO軌道的相互作用，形成新的化學(xué)鍵的過程。特別的，SOMO在前線軌道理論中即可作為HOMO處理，也可作為LUMO處理。我們將HOMO軌道和LUMO軌道統(tǒng)稱為前線軌道，用FOMO表示，前線軌道上的電子稱為前線電子。所以，在分子間化學(xué)反應(yīng)過程中，最先作用的軌道是前線軌道，起關(guān)鍵作用的電子為前線電子。也蘆業(yè)homO-^LUMO也蘆業(yè)homO-^LUMO圖1-2HOMO軌道間的相互作用圖1-3HOMO軌道與LUMO軌道的相互作用前線軌道間的相互作用在有機(jī)化學(xué)中我們已經(jīng)知道，兩個分子中的軌道相互作用，必然產(chǎn)生兩個新的分子軌道，一個軌道的能量降低AE,另一個軌道的能量升高厶E*，由于反鍵效應(yīng)，略大于AE。當(dāng)兩個HOMO軌道相互作用時，如圖1-2所示，結(jié)果使總的分子軌道的能量增加，體系更加不穩(wěn)定，因而HOMO軌道件無相互作用，不能成鍵。例如：halogensunlamp273nm例如：halogensunlamp273nmdryfilm當(dāng)HOMO軌道與LUMO軌道相互作用時，形成兩個新的軌道，一個能量降低，較HOMO軌道低，另一個軌道能量升高，較LUMO軌道高，生電子優(yōu)先排入能量較低的軌道，使整體能量降低，體系趨于穩(wěn)定，因而可以成鍵(如圖1-3)。根據(jù)上面的分析可以得出結(jié)論，HOMO軌道間互相排斥，而HUMO軌道與LUMO軌道之間互相吸引。前線軌道處理環(huán)加成反應(yīng)的原則大部分環(huán)加成反應(yīng)為雙分子環(huán)加成反應(yīng)，前線軌道理論認(rèn)為，雙分子間的環(huán)加成反應(yīng)，必須滿足一下幾點要求：雙分子加成反應(yīng)過程中,起作用的軌道是一個分子的HOMO軌道和另一個分子的LUMO軌道，反應(yīng)過程中，電子從一個分子的HOMO軌道流入另一分子的LUMO軌道。能量相近規(guī)則。相互作用的HOMO和LUMO軌道，能量必須接近，能量越接近，反應(yīng)越容易進(jìn)行。兩軌道能量越接近，形成成鍵軌道能量越低，成鍵后能量降低的更多，體系更穩(wěn)定。軌道最大重疊規(guī)則。在雙分子環(huán)加成反應(yīng)過程中，電子云密度大的原子傾向于與電子云密度大的原子相連，以這種方式成鍵后新化學(xué)鍵的鍵能更高，體系更穩(wěn)定。對稱性匹配原則。一個分子的HOMO和另一個分子的LUMO必須以正與正重疊，負(fù)于負(fù)重疊的方式互相接近進(jìn)行反應(yīng)。要根據(jù)符號相同的軌道相互作用時成鍵，符號不同的軌道相互作用時成反鍵的原則，來判斷對稱性是否匹配。環(huán)加成反應(yīng)分類[2+2]環(huán)加成反應(yīng)[2+2]環(huán)加成反應(yīng)是指兩個雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)生成四元環(huán)的過程，兩分子烯烴發(fā)生[2+2]環(huán)加成是最簡單的環(huán)加成反應(yīng)，Ph+PhCOOH

［4+2］環(huán)加成反應(yīng)又稱狄爾斯-阿爾德反應(yīng)（Diels-Alderreaction）,是烯烴（或不飽和鍵）與丁二烯發(fā)生的1,4環(huán)加成，生成含六元環(huán)的有機(jī)化合物的反應(yīng)，是最重要的環(huán)加成反應(yīng)。狄爾斯-阿爾德反應(yīng)用很少能量就可以合成六元環(huán)，反應(yīng)有豐富的立體化學(xué)呈現(xiàn)，兼有立體選擇性立體專一性和區(qū)域選擇性等，是有機(jī)化學(xué)合成反應(yīng)中非常重要的碳碳鍵形成的手段之一，也是現(xiàn)代有機(jī)合成里常用的反應(yīng)之一。丁二烯與順丁烯二酸酐發(fā)生［4+2］環(huán)加成：irCH7C、irCH7OO狄爾斯-阿爾德反應(yīng)有如下規(guī)律［3］,［4：］1）區(qū)域選擇性：反應(yīng)產(chǎn)物往往以“假鄰對位”產(chǎn)物為主。即若把六元環(huán)產(chǎn)物比作苯環(huán)，那么環(huán)上官能團(tuán)（假設(shè)有兩個官能團(tuán)）之間的相互位置以鄰位（如1么環(huán)上官能團(tuán)（假設(shè)有兩個官能團(tuán)）之間的相互位置以鄰位（如1），或者對位為主（如3）。（2）立體選擇性：反應(yīng)產(chǎn)物以“內(nèi)型（即5）”為主，即反應(yīng)主產(chǎn)物是經(jīng)過“內(nèi)型”過渡態(tài)得到的。0QOOHO5HO0QOOHO5HO6（3）立體專一性：加熱條件下反應(yīng)產(chǎn)物以“順旋”產(chǎn)物為唯一產(chǎn)物;光照條件下以“對旋”產(chǎn)物為唯一產(chǎn)物。1,3—偶極環(huán)加成反應(yīng)1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)，或被稱為Huisgen反應(yīng)，Huisgen環(huán)加成反應(yīng)，是發(fā)生在1,3-偶極體和烯烴、炔烴或其衍生物之間的一個協(xié)同周環(huán)的環(huán)加成反應(yīng)。烯烴類化合物在反應(yīng)中稱親偶極體（dipolarophile）。NOAr丿-(C2H5NOAr丿-(C2H5)3Nbenzene,25°C^JjCO2CH3H根據(jù)前線軌道理論，基態(tài)時1,3-偶極體的LUMO和親偶極體的HOMO,以及基態(tài)時1,3-偶極體的HOMO和親偶極體的LUMO,都是為分子軌道對稱守恒原理所允許的，因此反應(yīng)可以發(fā)生。1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)經(jīng)過五元環(huán)的過渡態(tài)，是總電子數(shù)6n體系的協(xié)同反應(yīng)。它受溶劑的極性影響很少，而且是立體專一的順式加成反應(yīng)。分子內(nèi)或逆向的1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)都是可以發(fā)生的。NheatSNheatS小環(huán)參與的環(huán)加成反應(yīng)[3]有些具有張力的環(huán)丙烷環(huán)系，由于具有顯著的n鍵性質(zhì)，也可以發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)。例如下圖中的四環(huán)庚烷與DMAD的反應(yīng)：EE%quadricyclaneDMADEE%quadricyclaneDMAD前線軌道在環(huán)加成反應(yīng)中的分析應(yīng)用3.1[2+2]環(huán)加成我們根據(jù)前線軌道理論來分析兩個乙烯分子加成生成環(huán)丁烷的反應(yīng)。我們知道，乙烯分子含有分子軌道，當(dāng)分子處于基態(tài)時，兩個n電子位于能量較低的成鍵軌道上，反鍵軌道上沒有電子；當(dāng)電子吸收能量處于激發(fā)態(tài)時，有一個電子躍遷到反鍵軌道上，從而使成鍵軌道與反鍵軌道上各有一個電子，如圖3-1所示。圖3-1乙烯的n分子軌道及基態(tài)和激發(fā)態(tài)時n電子分布按照前線軌道理論，在加成反應(yīng)時，必須是一分子的HOMO軌道中的電子流入另一分子的LUMO軌道中。反應(yīng)在加熱條件下進(jìn)行時，分子處于基態(tài)，一個烯烴分子的HOMO即n鍵，和另一烯烴分子的LUMO即n*鍵面對面的互相接近，由于烯烴的HOMU和LUMO具有不同的對稱性，它們不能同時在兩端重疊，因此熱反應(yīng)是對稱禁阻，如圖3-2所示。HOMO圖3-3乙烯分子基態(tài)時環(huán)加成LUMOHOMO圖3-3乙烯分子基態(tài)時環(huán)加成LUMO當(dāng)乙烯分子在光照條件下進(jìn)行時，光反應(yīng)與熱反應(yīng)不同，它是一個處于激發(fā)態(tài)的分子與另一個處于基態(tài)的分子之間的反應(yīng)。在光照射下一個烯烴分子中的一個n電子從原來的HOMO躍遷至LUMO,激發(fā)態(tài)乙烯的n和n*軌道都各占一個電子，形成兩個單占分子軌道SOMO。激發(fā)態(tài)的單占n*軌道與另一個處于基態(tài)下的烯烴分子的LUMO對稱性相同，可以重疊，是對稱允許反應(yīng)，如圖3-3。在這兩對軌道對稱性都匹配，在進(jìn)行反應(yīng)時，總體的結(jié)果都是使體系的能量降低，如圖3-4所示，因為可以反應(yīng)成鍵。從上述分析可以看出：在光的作用下，［2+2］環(huán)加成是對稱允許反應(yīng)；在加熱條件，［2+2］環(huán)加成對稱禁阻。［4+2］環(huán)加成反應(yīng)3.2.1對稱性匹配原則以丁二烯與乙烯的反應(yīng)為例進(jìn)行分析?；鶓B(tài)時，丁二烯與乙烯的分子軌道如圖3-5所示。在基態(tài)時，無論是丁二烯的LUMO軌道與乙烯的HOMO軌道，還是丁二烯的HOMO軌道與乙烯的LUMO軌道，都是對稱性匹配的，因而在加熱的條件下，丁二烯與乙烯的［4+2］環(huán)加成反應(yīng)是可以順利進(jìn)行的。因為兩種軌道重疊方式都是對稱允許的，而環(huán)加成反應(yīng)只需一種重疊方式符合前線軌道理論要求反應(yīng)就可以進(jìn)行，因為根據(jù)電子的流向可將［4+2］環(huán)加成反應(yīng)分為三類。將電子從雙烯體系的HOMO軌道流入乙烯的LUMO軌道的［4+2］環(huán)加成反應(yīng)稱為正常的D-A反應(yīng)；將電子有親雙烯體的HOMO軌道流入雙烯體的LUMO軌道的［4+2］環(huán)加成反應(yīng)稱為反常的D-A反應(yīng)；電子雙向流動的反應(yīng)成為中間的D-A反應(yīng)。

如何才能確定電子的流向呢？這需要用前線軌道理論中的能量相近原則進(jìn)行判斷。盡管丁二烯與乙烯的反應(yīng)時對稱允許的，但實際上，反應(yīng)并不能很順利的進(jìn)行，但是如果在乙烯或者丁二烯分子中增加取代基，那么反應(yīng)就能很順利的進(jìn)行了。這主要是因為引入取代基后一對HOMO軌道與LUMO軌道的能量差減小，從而有利于反應(yīng)的進(jìn)行。電子流動方向也是沿著能量差小的HOMO軌道流入LUMO軌道。下面進(jìn)行具體分析。能量相近原則類比原子的電子親和能和電子解離能，HOMO軌道的能量采用分子電離能的負(fù)值，可以從光電子能譜或其他近代物理測量方法得到，比較可靠oLUMO能量數(shù)據(jù)，盡可能采用電子親和能負(fù)值，但有些有機(jī)分子的電子親和能數(shù)據(jù)有的還沒有，就需從其他方法估計或采用計算數(shù)據(jù)，因而LUMO的能量不如HOMO能量數(shù)據(jù)可靠。當(dāng)雙烯或者親雙烯體連有取代基時，由于n鍵電子云受取代基影響發(fā)生偏移，并且電子云密度改變，從而其HOMO軌道和LUMO軌道的能量都將發(fā)生改變。取代基對分子軌道的能量影響如下⑸：①吸電子基團(tuán)：可以降低HOMO和LUMO的能量；②給電子集團(tuán)：可以增高HOMO和LUMO的能量；③共軛碳鏈增長：可以增高HOMO能量，降低LUMO能量。當(dāng)烯烴雙鍵上連有-cho,-cn,-no2等吸引電子取代基Z時，丁二烯與乙烯的反應(yīng)更容易進(jìn)行，這是由于取代基的作用，使乙烯的LUMO軌道能量降低，從而使丁二烯的HOMO軌道與之能量差減小，從而反應(yīng)容易進(jìn)行。不含取代基的D-A反應(yīng)與含吸電子取代基的D-A反應(yīng)的前線軌道能量圖如3-6，3-7所示。丁二烯乙烯Hluv反應(yīng)的前線軌道能量圖如3-6，3-7所示。丁二烯乙烯Hluv。Hhomo-10.5eVE（雙烯HOMO-親雙烯體LUMO）=10.6eVE（雙烯LUMO-親雙烯體HOMO）=11.5eV圖3-6丁二烯和乙烯的前線軌道能量圖LUMO0eVHOMO-10.9eVE（雙烯HOMO-親雙烯體LUMO）=9.1eVE（雙烯LUMO-親雙烯體HOMO）=11.9eV圖3-7丁二烯和丙烯醛的前線軌道能量圖

可見,HOMO軌道與LUMO軌道之間的最小能量差由10.6eV減小到9.1eV,能量差減小，反應(yīng)更容易進(jìn)行。由于雙烯的LUMO軌道與親雙烯的LUMO軌道能量差和雙烯HOMO軌道與親雙烯LUMO軌道的能量差很接近,乙烯與丁二烯的環(huán)加成反應(yīng)屬于中間D-A反應(yīng)；當(dāng)烯烴上連有吸電子取代基后，其HOMO軌道、LUMO軌道能量均下降，導(dǎo)致雙烯HOMO軌道與親雙烯體的LUMO軌道能量差更小,屬于正常的D-A反應(yīng),若在親雙烯體中增加給電子基團(tuán)，其HOMO軌道能量上升，雙烯HOMO軌道與親雙烯體的LUMO軌道能量差會變得更小，這種現(xiàn)象更明顯，例如1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的D-A反應(yīng)，其最小能級差僅有8.5eV,如圖3-8所示。如果在雙烯體上增加吸電子取代基，在親雙烯體上增加給電子取代基，乙烯的HOMO軌道能量上升，丁二烯的LUMO軌道能量降低，這兩個軌道間的能量差將小于丁二烯HOMO軌道與乙烯LUMO軌道的能量差，從而電子將由乙烯的HOMO軌道流入丁二烯的LUMO軌道，為反常的D-A反應(yīng)，三種D-A反應(yīng)的能級示意圖如圖3-9所示。LUMO0eVHOMO-10.9eVLUMO0eVHOMO-10.9eVE（雙烯HOMO-親雙烯體LUMO）=8?5eVE（雙烯LUMO-親雙烯體HOMO）=13.4eV圖3-81-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的前線軌道能量圖反DA反應(yīng)中間的DA反應(yīng)雙烯親雙烯體中間的DA反應(yīng)雙烯親雙烯體圖3-9Diels-Alder反應(yīng)的三種類型軌道最大重疊原則根據(jù)上述的兩個原則，我們還是無法判斷D-A反應(yīng)過程中的立體選擇性，例如剛才提到的1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的反應(yīng)，我們只知道電子由雙烯體系流入親雙烯體系，但是無法解釋產(chǎn)物中甲氧基與醛基為什么處于鄰位而非處于間位。這需要用軌道最大重疊原則來判斷。7判斷。7軌道最大重疊原則是說，在形成新C-C鍵的過程中，電子云密度高的原子傾向于與電子云密度高的原子形成化學(xué)鍵。在前線軌道理論中，電子云密度用軌道系數(shù)來表示，軌道系數(shù)越大，表示電子云密度越大［6］。下圖3-10描述的為1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的前線軌道圖，途中的圓圈大小粗略的正比于軌道系數(shù)大小，黑白代表取向。顯然，左邊的情況符合軌道最大重疊原則，所以采用作圖的形式成鍵，產(chǎn)物中甲氧基與醛基處于鄰位。OMeOMeOMeOMeHOMO LUMO-8.5eV 0eVHOMO LUMO-8.5eV 0eV\o"CurrentDocument"LUMO HOMO2.5eV —10.9eV圖3-101-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛前線軌道圖3-101-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛前線軌道圖3-11［4+6］環(huán)加成反應(yīng)的對稱性能量相近不影響產(chǎn)物的判斷這里略去其分析。卓酮與環(huán)戊二烯的軌道系數(shù)如圖3-12所示，無論是采取哪種電子流向，卓酮軌道最大的系數(shù)在C2和C7,不在C2和C3,1,6加成更符合軌道最大重疊原則，因而發(fā)生［4+6］環(huán)加成反應(yīng)，生成一個十元環(huán)。-.600.600.418-.418-.371-.371.600.600LUMO-.326-3.26-.600.600.418-.418-.371-.371.600.600LUMO-.326-3.26圖3-12環(huán)戊二烯和卓酮的前線軌道系數(shù)次級相互作用［7］環(huán)戊二烯和順丁烯二酸酐發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)，有可能得到內(nèi)型和外型兩種異構(gòu)體。在2.2（2）中已經(jīng)介紹，反應(yīng)是經(jīng)內(nèi)型過渡態(tài)進(jìn)行的，內(nèi)型產(chǎn)物為動力學(xué)產(chǎn)物，外型產(chǎn)物位阻更小，為熱力學(xué)產(chǎn)物。內(nèi)型外型

內(nèi)型外型在一般情況下，反應(yīng)常常得到內(nèi)型產(chǎn)物，這是由于丁二烯與順丁烯二酸酐上羰基的n軌道發(fā)生次級相互作用導(dǎo)致的，這種作用也可以用前線軌道理論來解釋。在環(huán)加成反應(yīng)過程中兩個羰基的n軌道與環(huán)戊二烯C2,C3位的軌道是對稱性匹配的，可以發(fā)生一定的重疊。次級相互作用如圖3-13所示。圖3-13Diels-Alder反應(yīng)的次級相互作用金屬催化環(huán)加成過度金屬與配體能形成穩(wěn)定的配位化合物,中心離子價電子排布為d8,其空軌道可以以d2sp雜化方式接受電子,因而是很好的Lewis酸.近年來鈀手性Lewis酸催化劑的研制及其在不對稱Diels-Alder反應(yīng)中的應(yīng)用，得了巨大的進(jìn)展，已報道的這類催化劑中,許多催化效率高、用量少、立體選擇性和區(qū)域選擇性好,且易制備,在合成化學(xué)選擇性和區(qū)域選擇性的六元環(huán)和多取代苯上有許多獨特優(yōu)勢。目前，已知的可催化環(huán)加成的金屬有Pd，Ir，Co，Ni等［8］,［9］,［10］。Ni(:OMei圖4-1碳硼炔-單炔-單炔（烯）三組分［2+2+2］環(huán)加成COyMo+金屬催化機(jī)理非常相似，首先過度金屬與烯烴形成配合物，之后發(fā)生化學(xué)鍵遷移反應(yīng)形成加成，Ni催化碳硼炔-單炔-單炔（烯）三組分［2+2+2］環(huán)加成［9】的機(jī)理圖圖Ni(:OMei圖4-1碳硼炔-單炔-單炔（烯）三組分［2+2+2］環(huán)加成COyMo+富勒烯環(huán)加成研究表明,C60具有缺電子烯烴的性質(zhì),可以發(fā)生一系列的環(huán)加成反應(yīng)。由于環(huán)加成反應(yīng)的條件溫和、收率高、穩(wěn)定性較好，易得到單加成產(chǎn)物，因而成為對C60進(jìn)行化學(xué)修飾的熱門反應(yīng)。主要反應(yīng)類型包括[2+1], [2+2],[2+3],[2+4],[9?12],C60除了上述幾種常見的環(huán)加成反應(yīng)類型外，還可發(fā)生[2+5],[2+6],[2+8]聚環(huán)加成等[13?16]反應(yīng)，目前這幾種反應(yīng)的報道比較少見,其中[2+3]環(huán)加成反應(yīng)是人們研究較多的一類反應(yīng)[11。]下面