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1、1第十八章 分子轨道理论简介一、教学目的和要求（1）了解分子轨道理论的原理。（1）了解周环反应的一般规律。（2）了解分子轨道对称守恒原理在有机合成中的作用。二、教学重点与难点分子轨道理论的原理，周环反应的理论。三、教学方法和教学学时1、教学方法：以课堂讲授为主，结合必要的课堂讨论。教学手段以板书和多媒体相结合。2、教学学时：2 学时四、教学内容第一节 电环化反应第二节 环加成反应第三节 迁移反应第四节 周环反应的理论一、电环化反应机理二、环加成反应机理三、 键迁移反应机理五、课后作业、思考题习题：1、2、4、6、11。 18-1 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
2、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。2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
3、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 1p 轨道和 2s 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CHO+ CHOCHORRh RRRR R = -COCH3 -X1 X23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。
4、分子轨道对称守恒原理是 1965 年德国化学家五德沃德（R.B .Woodward）和霍夫曼（R .Hoffmann）根据大量实验事实提出的。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 -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 -键的分子轨道。对称性
5、相同的原子轨道形成 - 成键轨道，对称性不同的原子轨道形成 *成键轨道。见 P532533。2-键的形成当两个 P 轨道侧面重叠时，可形成两个 分子轨道。对称性相同的 P 轨道形成成键 轨道。对称性不同的 P 轨道形成反键 *轨道。见 P533534。（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只是至关重要的。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
6、，所以称为前线轨道（简称 FMO） 。例如，丁二烯分子中总共有 4 个 电子，可形成 4 个分子轨道 1， 2， 3， 4，其中 1和 2为成键轨道， 3和 4为反键轨道。当丁二烯处于基态时，分子轨道 1和 2各有两个电子，电子态为 12， 22，因 E2 E1，所以 2就是 HOMO 轨道。 3和 4是空轨道，而 E3 E4，所以 3是- SP4LUMO 轨道。 2和 3都为前线轨道。化学键的形成主要是由 FMO 的相互作用所决定的。 18-2 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
7、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 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： C1C2，C 3C4 沿着各自的键轴旋转，使 C1 和 C4 的轨道结合形成一个新的 -键。 旋转的方式有两种，顺旋和对旋。 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。1234EE1E2E3E45丁二烯在基态（加热）环化时，起反应的前线轨道 HOMO 是 2 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 3 所以丁二烯在激发态（光照）环化时，对旋
8、允许，顺旋是禁阻的。其他含有 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： hhCH33PhPh PhPhCH33 PhCH3PhCH325H3C CH3H h HCH3HCH3CH3HCH3 6二、4n+2 个 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。己三烯的 轨道从己三烯为例的 轨道可以看出：4n+2 电子体系的多烯烃在基态（热反应时） 3为 HOMO，电环化时对旋是轨道对称性允许的，C 1 和 C6 间可形成 - 键，顺旋是轨道对称性禁阻的，C 1 和 C6间不能形成 -键。4n+2 电子体系的多烯烃在激发态（光照
9、反应时） 4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。235461EE1E2E3E4E5E63 CH3CH3130 CH3CH3 1307其它含有 4n+2 个 电子体系的共轭多烯烃的电环化反应的方式也基本相似。例如：从以上讨论可以看出，电环化反应的空间过程取决于反应中开链异构物的HOMO 的对称性，若一共轭多烯烃含有 4n 个 电子体系，则其热化学反应按顺旋方式进行，光化学反应按对旋进行；如果共轭多烯烃含有 4n+2 个 电子体系，则进行的方向正好与上述相反。此规律称为伍德沃德 霍夫曼规则，见表 17-1表 17-1 电环化反应的选择规则 电子数 反应 方式4n
10、热光顺旋对旋4n+2 热光对旋顺旋电环化反应在有机合成上的应用也是很有成效的。见 P538539。 18-3 环加成反应两分子烯烃或共轭多烯烃加成成为环状化合物的反应叫环加成反应。例如：环加成反应根据反应物的 P 电子数可分为2+2环加成和4+4 环加成类型。4 hh h HHHHCH2CH2 CH2CH2+ hCHO CHO+8环加成反应：（1）是分子间的加成环化反应。（2）由一个分子的 HOMO 轨道和另一个分子的 LOMO 轨道交盖而成。（3）FMO 理论认为，环加成反应能否进行，主要取决于一反应物分子的HOMO 轨道与另一反应物分子的 LOMO 轨道的对称性是否匹配，如果两者的对称性是
11、匹配的，环加成反应允许，反之则禁阻。从分子轨道（FMO）观点来分析，每个反应物分子的 HOMO 中已充满电子，因此与另一分子的的轨道交盖成键时，要求另一轨道是空的，而且能量要与HOMO 轨道的比较接近，所以，能量最低的空轨道 LOMO 最匹配。一、 2+2 环加成以乙烯的二聚为例在加热条件下，当两个乙烯分子面对面相互接近时，由于一个乙烯分子的HOMO 为 轨道，另一乙烯分子的 LOMO 为 *轨道，两者的对称性不匹配，因此是对称性禁阻的反应。光照条件下，到处于激发态的乙烯分子中的一个电子跃迁 *轨道上去，因此，乙烯的 HOMO 是 *，另一乙烯分子基态的 LOMO 也是 *，两者的对称性匹配是
12、允许的，故环加成允许。 2+2 环加成是光作用下允许的反应。与乙烯结构相似的化合物的环加成方式与依稀的相同。例见 P540。AB* LUNOHOMOAB* LUNOLUNOHOMO- MeMeMeMe+ h MeMeMeMe9二、 4+2 环加成以乙烯与丁二烯为例讨论从前线轨道（FMO）来看，乙烯与丁二烯 HOMO 和 LUMO 如下图：当乙烯与丁二烯在加热条件下（基态）进行环加成时，乙烯的 HOMO 与丁二烯的 LUMO 作用或丁二烯的 HOMO 与乙烯的 LUMO 作用都是对称性允许的，可以重叠成键。所以， 4+2 环加成是加热允许的反应。如下图：对称性允许的乙烯和丁二烯的环加成（热反应）
13、图在光照作用下 4+2 环加成是反应是禁阻的。因为光照使乙烯分子或丁二烯分子激活，乙烯的 *LUMO 或丁二烯的 3*LUMO 变成了 *HOMO 或 3*HOMO，轨道对称性不匹配，所以反应是禁阻的。如下图：对称性禁阻的乙烯和丁二烯的环加成（光作用）图HOMOLUMO 3 2 23* LUMOHOMO HOMOLUMO 3 2* *LUMOHOMO HOMOLUMO3*LUMOHOMO 3*LUMO *- - LUMO10大量的实验事实证明了这个推断的正确性，例如 D-A 反应就是一类非常容易进行且空间定向很强的顺式加成的热反应。例如： 其他环加成反应实例见 P541542。环加成除 2+2
14、 、 4+2 外，还有 4+4 、 6+4 、 6+2 、 8+2 等。例如： 2+2 、 4+4 、 6+2 的归纳为 电子数 4n 的一类； 4+2 、 6+4 、 8+2 的归纳为 电子数 4n+2 的一类。环加成反应规律：两分子 电子数之和反应 方式 2+2 4n 4+4 6+2 热光禁阻允许4+2 热 允许CHO CHO+ 10 10%CO2CH3 CO2CH3+HHCO2CH3 CO2CH3HHOCH3CH32 h OOCH3CH3OOH3C3 4+4 +O21 346 5 6+4 O114n+2 6+4 8+2 光 禁阻 18-4 - 键迁移反应双键或共轭双键体系相邻碳原子上的 键迁移到另一个碳原子上去，随之共轭链发生转
