環(huán)加成反應簡介
環(huán)加成反應
摘要：環(huán)加成反應在有機合成中有非常重要的應用，其基礎理論前線軌道理論也是有機化學中非常重要的理論。本文主要簡介環(huán)加成反應和前線軌道理論，并對前線軌道在環(huán)加成反應中的應用做簡要介紹。
關鍵詞：環(huán)加成反應 前線軌道理論 Diels-Alder反應
環(huán)加成反應(Cycloaddition Reaction)是兩個共軛體系結合成環(huán)狀分子的一種雙分子反應, 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)減少的化學反應。這類反應是合成單環(huán)及多環(huán)化合物的一種重要方法。有關環(huán)加成反應最早是德國化學家Diels與其學生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)加成反應的主要特點是可以將不飽和鏈狀化合物直接轉變成環(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、藥物化學等領域有著廣泛的應用。
1、前線軌道理論簡介
前線軌道是由日本理論化學家福井謙一提出的，他指出化合物分子的許多性質主要出最高占據(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。這對選擇有機合成反應路線起決定性作用。鑒于前線軌道理論對于有機化學發(fā)展的重要性，他獲得了1981年的諾貝爾化學獎。
1.1 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LUMO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SOMO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，因而前線軌道認為，分子加發(fā)生化學反應，本
質上就是HOMO軌道與LUMO軌道的相互作用，形成
新的化學鍵的過程。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，在分子間化學反應過程中，最先作用的軌道是
圖1-1 丁二烯前線軌道示意圖 前線軌道，起關鍵作用的電子為前線電子。
1.2 前線軌道間的相互作用
在有機化學中我們已經(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△E，另一個軌道的能量升高△E，由于反鍵效應， △E略大于△E。
當兩個HOMO軌道相互作用時，如圖1-2所示，結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。
當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論，HOMO軌道間互相排斥，而HUMO軌道與LUMO軌道之間互相吸引。
1.3 前線軌道處理環(huán)加成反應的原則
大部分環(huán)加成反應為雙分子環(huán)加成反應，前線軌道理論認為，雙分子間的環(huán)加成反應，必須滿足一下幾點要求：
(1)雙分子加成反應過程中，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，反應過程中，電子從一個分子的HOMO軌道流入另一分子的LUMO軌道。
(2)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，反應越容易進行。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。
(3)軌道最大重疊規(guī)則。在雙分子環(huán)加成反應過程中，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鍵的鍵能更高，體系更穩(wěn)定。
(4)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，負于負重疊的方式互相接近進行反應。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。
2 環(huán)加成反應分類
2.1 [2+2]環(huán)加成反應
[2+2]環(huán)加成反應是指兩個雙鍵發(fā)生加成反應生成四元環(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，例如：
2.2 [4+2]環(huán)加成反應
又稱狄爾斯-阿爾德反應（Diels–Alder reaction），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)的有機化合物的反應，是最重要的環(huán)加成反應。狄爾斯–阿爾德反應用很少能量就可以合成六元環(huán)，反應有豐富的立體化學呈現(xiàn)，兼有立體選擇性、立體專一性和區(qū)域選擇性等，是有機化學合成反應中非常重要的碳碳鍵形成的手段之一，也是現(xiàn)代有機合成里常用的反應之一。丁二烯與順丁烯二酸酐發(fā)生[4+2]環(huán)加成： H
+H
狄爾斯-阿爾德反應有如下規(guī)律[3],[4]：
（1）區(qū)域選擇性：反應產(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
（假設有兩個官能團）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：反應產(chǎn)物以“內型(即
5)”為主，即反應主產(chǎn)物是經(jīng)過“內型”過渡態(tài)
得到的。
（3）立體專一性：加熱條件下反應產(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。
2.3 1,3—偶極環(huán)加成反應
1,3-偶極環(huán)加成反應，或被稱為Huisgen
反應，Huisgen環(huán)加成反應，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。烯烴類化合物在反應中稱親偶極體（dipolarophile
）。
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，因此反應可以發(fā)生。
1,3-偶極環(huán)加成反應經(jīng)過五元環(huán)的過渡態(tài)，是總電子數(shù)6π體系的協(xié)同反應。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。分子內或逆向的1,3-偶極環(huán)加成反應都是可以發(fā)生的。
2.4 小環(huán)參與的環(huán)加成反應[3]
有些具有張力的環(huán)丙烷環(huán)系，由于具有顯著的π鍵性質，也可以發(fā)生環(huán)加成反應。例如下圖中的四環(huán)庚烷與DMAD的反應：
3 前線軌道在環(huán)加成反應中的分析應用
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。我們知道，乙烯分子含有分子軌道，當分子處于基態(tài)時，兩個π電子位于能量較低的成鍵軌道上，反鍵軌道上沒有電子；當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π分子軌道及基態(tài)和激發(fā)態(tài)時π電子分布
按照前線軌道理論，在加成反應時，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。反應在加熱條件下進行時，分子處于基態(tài)，一個烯烴分子的HOMO
即
π鍵，和另一烯烴分子的LUMO即π*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，因此熱反應是對稱禁阻，如圖3-2所示。
LUMO
LUMOHOMO
圖3-3 乙烯分子基態(tài)時環(huán)加成 圖
3-3 乙烯分子激發(fā)態(tài)時環(huán)加成
當乙烯分子在光照條件下進行時，光反應與熱反應不同，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。在光照射下一個烯烴分子中的一個π電子從原來的HOMO躍遷至LUMO，激發(fā)態(tài)乙烯的π和π*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π*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，如圖3-3。在這兩對軌道對稱性都匹配，在進行反應時，總體的結果都是使體系的能量降低，如圖3-4所示，因為可以反應成鍵。
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；在加熱條件，[2+2]環(huán)加成對稱禁阻。
SOMO
圖3-4 激發(fā)態(tài)乙烯與基態(tài)乙烯環(huán)加成反應
圖3-5 丁二烯與乙烯的分子軌道
3.2 [4+2]環(huán)加成反應
3.2.1 對稱性匹配原則
以丁二烯與乙烯的反應為例進行分析�；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)加成反應是可以順利進行的。因為兩種軌道重疊方式都是對稱允許的，而環(huán)加成反應只需一種重疊方式符合前線軌道理論要求反應就可以進行，因為根據(jù)電子的流向可將[4+2]環(huán)加成反應分為三類。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)加成反應稱為正常的D-A反應；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)加成反應稱為反常的D-A反應；電子雙向流動的反應成為中間的D-A反應。
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行判斷。盡管丁二烯與乙烯的.反應時對稱允許的，但實際上，反應并不能很順利的進行，但是如果在乙烯或者丁二烯分子中增加取代基，那么反應就能很順利的進行了。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，從而有利于反應的進行。電子流動方向也是沿著能量差小的HOMO軌道流入LUMO軌道。下面進行具體分析。
3.2.2 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。LUMO能量數(shù)據(jù)，盡可能采用電子親和能負值，但有些有機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。
當雙烯或者親雙烯體連有取代基時，由于π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[5]：①吸電子基團：可以降低HOMO和LUMO的能量；②給電子集團：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更容易進行，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，從而反應容易進行。不含取代基的D-A反應與含吸電子取代基的D-A反應的前線軌道能量圖如3-6，3-7所示。 乙烯丁二烯
LUMO
1.5eV 1eV
-9.1eV HOMO -10.5eV
△E(雙烯 HOMO-親雙烯體 LUMO)=10.6eV
△E(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
LUMO 0eV 1eV
-9.1eV
HOMO -10.9eV
△E(雙烯 HOMO-親雙烯體 LUMO)=9.1eV
△E(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，反應更容易進行。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)加成反應屬于中間D-A反應；當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，若在親雙烯體中增加給電子基團，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，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，三種D-A反應的能級示意圖如圖3-9所示。
X 2.5eV
LUMO 0eV
X
HOMO -10.9eV
△E(雙烯 HOMO-親雙烯體 LUMO)=8.5eV △E(雙烯 LUMO-親雙烯體 HOMO)=13.4eV
圖3-8 1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的前線軌道能量圖
反DA
反應
中間的DA
反應正常的DA反應
雙烯親雙烯體雙烯親雙烯體雙烯親雙烯體
圖3-9 Diels-Alder反應的三種類型
3.2.3 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，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。 HO
CH3
HO
+
HO
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。
HO
HO
HOMOLUMOLUMOHOMO -8.5eV0eV2.5eV—
10.9eV
圖3-10 1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛前線軌道
用同樣的方法，我們還可以判斷環(huán)反應得到的是[4+6]加成物而不是[4+2]加成物。
首先考慮[4+6]環(huán)加成的對稱性是否匹配，卓酮與環(huán)戊二
烯的分子軌道在基態(tài)時對稱性匹配，軌道如右圖所示。
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，生成一個十元環(huán)。
.232
.418-.600 -.418
.600
LUMOHOMO
.600
-.371-.326 -.653 -3.26-.371.600
HOMOLUMO
圖3-12 環(huán)戊二烯和卓酮的前線軌道系數(shù)
3.2.4 次級相互作用
環(huán)戊二烯和順丁烯二酸酐發(fā)生Diels-Alder反應，有可能得到內型和外型兩種異構體。在2.2（2）中已經(jīng)介紹，反應是經(jīng)內型過渡態(tài)進行的，內型產(chǎn)物為動力學產(chǎn)物，外型產(chǎn)物位阻更小，為熱力學產(chǎn)物。
內型
外型
[7]
在一般情況下，反應常常得到內型產(chǎn)物，這是由于丁二烯與順丁烯二酸酐上羰基的π軌道發(fā)生次級相互作用導致的，這種作用也可以用前線軌道理論來解釋。在環(huán)加成反應過程中，兩個羰基的π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3-13 Diels-Alder反應的次級相互作用
4 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反應中的應用, 得了巨大的進展, 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]。
金屬催化機理非常相似，首先過度金屬與烯烴形成配合物，之后發(fā)生化學鍵遷移反應形成加成，Ni催化碳硼炔-單炔-單炔(烯)三組分[2＋2＋2]環(huán)加成[9]的機理圖圖4-1所示。首先苯炔、烯丙酸與Ni(0)配合物氧化偶聯(lián)形成五元鎳環(huán)中間體 58,活潑烯烴中氧的孤對電子與鎳的空d軌道配位有助于該中間體的穩(wěn)定; 隨后極化炔烴插入Ni—Caryl鍵得到七元鎳環(huán)中間體 59; 再通過還原消除得到最終產(chǎn)物二氫化萘衍生物 55a.
圖4-1 碳硼炔-單炔-單炔(烯)三組分[2＋2＋2]環(huán)加成
5 富勒烯環(huán)加成
研究表明, C60具有缺電子烯烴的性質, 可以發(fā)生一系列的環(huán)加成反應。由于環(huán)加成反
應的條件溫和、收率高、穩(wěn)定性較好，易得到單加成產(chǎn)物，因而成為對 C60進行化學修飾的熱門反應。主要反應類型包括[2＋1]， [2＋2]，[2＋3]，[2＋4]，[9～12]，C60除了上述幾種常見的環(huán)加成反應類型外，還可發(fā)生[2＋5]，[2＋6]，[2＋8]聚環(huán)加成等[13～16]反應，目前這幾種反應的報道比較少見，其中[2＋3]環(huán)加成反應是人們研究較多的一類反應[11]。下面是一個利用1,3—偶極環(huán)加成反應修飾富勒烯的實例。
將亞胺葉立德中引入不同的官能團可以得到不同修飾的富勒烯，如圖5-1所示。
圖5-1 不同修飾的富勒烯
此外還可以將兩個或多個富勒烯通過加成反應連接成一個大分子。
圖5-2 兩分子富勒烯與雙亞胺葉立德的反應
圖5-3兩分子富勒烯與修飾過的雙亞胺葉立德的反應產(chǎn)物
6 參考文獻
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