8.1成環策略環體系是有機化合物中的重要組成部分，其特殊的結構使得該類化合物的反應和性質均較為獨特環體系的建立包括：建立新環的環化反應和對已有的環進行改進兩種方法，如何建立新的環體系是研究的重點建立新環的方法：分子內關環反應（Dieckmann縮合等）雙邊環化反應（D-A反應，電環化等）王鵬第1頁/共47頁第一頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應單分子環化反應：分子反應存在分子內和分子間兩種競爭的反應趨勢，分子內反應成環，分子間反應成聚合物分子內的環化反應是否較分子間反應容易發生，受四個方面的限制：環的張力分子的幾何結構同時形成雙反應中心的要求競爭性的其他分子內反應環化反應的分類：陽離子環化、陰離子環化、自由基環化、金屬有機催化下的環化和卡賓插入王鵬第2頁/共47頁第二頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應陰離子環化原理：陰離子環化主要是指環化反應中涉及陰離子中間體的反應該類反應包含了碳負離子和其他陰離子參與的親核環化反應，如酯基、氨基、羥基、巰基等官能團的反應反應的實質是SNi反應、1,2加成或1,4加成等負離子進攻的親核反應。王鵬第3頁/共47頁第三頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應Baldwin規則：受空間影響，相同條件下，有的反應可以發生而有的則相反，可用Baldwin規則預測反應能否發生王鵬Baldwin規則第4頁/共47頁第四頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應Baldwin總結了立體和電子效應的影響，認為大多數環化反應受三個因素的影響：環的大小：目標環的大小雜化方式：親電碳原子屬于哪種雜化類型？斷鍵方式：進攻原子進攻官能團的內側還是外側外式（exo）電子成小環，內式（endo）電子成大環王鵬電子向外流動電子向內流動第5頁/共47頁第五頁，共48頁。Baldwin規則的應用：Baldwin對環化反應的預測能夠解釋大多數現象，可以在反應前預測反應能否發生8.2單邊環化的分子內反應王鵬利用Baldwin規則能夠成功解釋的反應現象第6頁/共47頁第六頁，共48頁。王鵬利用Baldwin規則能夠成功解釋的反應現象第7頁/共47頁第七頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應違反Baldwin規則的情況：Baldwin規則是對已知的陰離子親核反應機理的總結，違反Baldwin規則的反應也可能發生該規則認為不能發生的反應在改變反應條件時仍能發生，但機理可能完全不同王鵬自由基環合也適用Baldwin規則Baldwin規則認為不能進行的反應，改變條件可以反應第8頁/共47頁第八頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應其他違反Baldwin規則的例子：烯醇負離子的環化規則：擴展的Baldwin王鵬形成亞胺鎓鹽5-endo-trigBaldwin禁止烯醇負離子的環化規則第9頁/共47頁第九頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應額外的參數：烯醇負離子的內式：enolendo，雙鍵在內部烯醇負離子的外式：enolexo，雙鍵在外部例如：王鵬烯醇負離子的內式進攻內式外式內式外式第10頁/共47頁第十頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應陰離子環化總結：陰離子環和是最常用的單邊環化方法。成環是利用負離子的親核反應完成的，因此影響負離子產生的因素都能影響該類環化反應，例如：使用不含α-氫的醛進行羥醛合環可以高產率的得到環化產物王鵬LiN(TMS)2,CeCl3THF,-78℃87%第11頁/共47頁第十一頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應利用預制的烯醇負離子可以在敏感基團存在下合環非碳負離子的陰離子合環在雜原子環類化合物的合成中應用廣泛王鵬BF3-Et2O99%有機錫試劑在環化中的的應用甲璜酰化-OMs環合雜原子提供陰離子是雜原子環的重要方法第12頁/共47頁第十二頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應陽離子環化反應：利用陽離子中間體進行合環的環化反應該類環和的應用較廣泛，萜類化合物和甾體的合成中很多都是通過陽離子環化制備的陽離子常使用碳正離子，其容易重排生成更穩定的化合物，因此能形成穩定的叔碳正離子及其他穩定的正離子的產物的產率較高王鵬80%HOAc-H2O叔碳正離子，已經處于穩定狀態，不再重排第13頁/共47頁第十三頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應其他陽離子成環的例子：研究較多的是穩定化碳正離子（與穩定基團相連）的環化反應，主要是亞胺鎓離子、酰亞胺鎓離子、氧鎓離子的反應王鵬Lewis酸陽離子環合脫去Lewis酸雖非叔碳正離子，但成穩定環的要求使其不進行重排亞胺鎓中間體加成在碳中心上第14頁/共47頁第十四頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應自由基環化反應：通過自由基反應得到環合產物的成環方法與極性反應相比，自由基反應可以在中性條件下反應，從而避免副反應與極性反應不同，自由基環化一般以五元環產物為主自由基環化近年來得到了廣泛關注，許多天然產物的合成反應利用了該類反應王鵬第15頁/共47頁第十五頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應有機金屬化合物催化的環合反應：鈀催化環合：常見的是分子內的Suzuki反應、Heck反應和Stille反應金屬有機催化下的親電環合反應：金屬有機催化劑的正離子首先與烯、炔等富電子基團配位使之活化，隨后發生分子內親核反應，親核體（多為雜原子）進攻活化體而形成雜環化合物卡賓插入反應：重氮化合物在二價銠鹽或銅鹽作用下得到卡賓，隨之插入（π鍵或σ鍵）得到五或六元環化產物王鵬第16頁/共47頁第十六頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應烯烴復分解反應：烯烴復分解反應不僅可以用于合成新的雙鍵化合物，也是合成含雙鍵環狀化合物的好方法，合成大多通過催化劑存在下的閉環復分解反應進行反應歷程：王鵬反應以脫去乙烯結束第17頁/共47頁第十七頁，共48頁。8.2單邊環化的分子內反應催化劑：金屬卡賓配合物（如釕催化劑）效果最好，應用最廣閉環復分解反應可以得到五元和六元環，也可以用于大環的合成王鵬第18頁/共47頁第十八頁，共48頁。8.3雙邊環化與環加成六元環的合成:六元環是結構上最為穩定的環狀結構，形成時需要克服的阻力最小，一般有兩種合成方法：Diels-Alder反應4+2分步極性環合其中D-A反應是最為主要的合成六元環化合物的方法Diels-Alder反應：O.Diels和K.Alder發現的，由雙烯體與親雙烯體發生協同反應得到六元環狀化合物的反應，也稱為雙烯合成，屬環加成反應王鵬第19頁/共47頁第十九頁，共48頁。Diels-Alder反應典型的D-A反應：王鵬雙烯體（s－順式二烯）親雙烯體順丁烯二酸酐第20頁/共47頁第二十頁，共48頁。8.3雙邊環化與環加成Ｄ-Ａ反應的特點雙烯體帶有供電子基有利于反應進行：親雙烯體帶有吸電子基有利：高度的立體選擇性：反應選擇取代基指向成環外側的排列方式，以降低空阻影響。另外，反應中取代基的構型相對關系在反應中保持不變王鵬第21頁/共47頁第二十一頁，共48頁。8.3雙邊環化與環加成王鵬endo98.5%exo(1.5%)

供電的雙烯體與吸電的親雙烯體可以很好的反應反應的立體選擇性使得產物較純凈，以外式結構為主第22頁/共47頁第二十二頁，共48頁。8.3雙邊環化與環加成王鵬反應中取代基的相對構型保持一致第23頁/共47頁第二十三頁，共48頁。8.3雙邊環化與環加成王鵬區域選擇性：雙烯體HOMO系數大，親雙烯體LUMO系數大。兩種反應物“軌道系數”最大的位置相互作用，使加成具有區域選擇性。第24頁/共47頁第二十四頁，共48頁。8.3雙邊環化與環加成分子軌道對稱守恒原理:Woodward在研究天然產物合成時發現，只有取代基構型滿足順式的雙烯體才能發生電環化反應和D-A反應Hoffman提出：分子軌道存在正性和負性部分在發生的反應中分子軌道的對稱性守恒（正對正，負對負），稱為Woodward-Hoffman規則王鵬第25頁/共47頁第二十五頁，共48頁。8.3雙邊環化與環加成D-A反應中的Hoffmann規則：雙烯體提供HOMO電子，而親雙烯體則提供LUMO軌道。根據守恒規則，反應時碳鏈在加熱時帶動取代基發生順旋，而光照時則帶動取代基對旋由于光反應較少應用到合成反應中，因此常見的都是加熱狀態下的順旋過程順旋的要求使得雙烯體中只有s-順的雙烯才能發生反應，如果構型被固定難以旋轉，則s-反式的雙烯烴不能發生D-A反應王鵬第26頁/共47頁第二十六頁，共48頁。類似D-A反應的是4+2分步環化，即類似下面的反應：這種分步合成的方法與D-A反應類似，是合成六元環的重要方法，其中Robinson環合是重要的合成應用王鵬第27頁/共47頁第二十七頁，共48頁。近年來新的合成方法王鵬這種三鍵的分解反應與環合反應共同作用得到新的類似萘、蒽的結構，是合成芳香稠環的另一好方法，比如：第28頁/共47頁第二十八頁，共48頁。五元環的形成五元環是僅次于六元環的穩定環狀體系，合成時一般通過兩種反應方式：3+2環加成3+2分步環加成3+2環加成也稱為1,3-偶極環加成，是通過偶極體與烯、炔、亞胺等親偶極體反應得到環狀結構的反應。偶極體是烯丙基負離子的等電體，反應與D-A反應相似王鵬第29頁/共47頁第二十九頁，共48頁。Trost的發展由于合成六元環反應可以通過D-A反應很容易的得到，Trost發現，使用三甲撐甲烷（TMM）與烯烴可以發生3+2環加成，王鵬三甲撐甲烷的形成Trost方法的應用第30頁/共47頁第三十頁，共48頁。四元環的建立四元環的環張力比較大，合成較困難。主要使用2+2的環加成。烯烴與烯烴的反應烯烴與累積雙鍵的反應烯烴與碳雜原子間重鍵的反應根據軌道對稱守恒，反應在光照下是允許的，Cu(I)鹽可以催化該類反應部分反應可以在加熱條件下進行，如烯酮的環加成反應王鵬第31頁/共47頁第三十一頁，共48頁。三元環的建立三元環的合成較四元環更為困難，常使用卡賓等進行反應，其他方法難以得到碳的三環化合物1+2反應：1為卡賓，2為烯烴或共軛烯烴，得到環丙烷類化合物1+2分步環化：合成含有雜原子（多為氧）的三元環，一般是過氧化氫等的氧化，制備環氧乙烷類化合物王鵬第32頁/共47頁第三十二頁，共48頁。多分子成環反應及建筑塊思想構建大環化合物一直是難點，也是吸引化學家們的熱點。通過建筑塊的思想和模板合成方法，可以合成所需要的大環結構王鵬山東科技大學化學與材料工程學院第33頁/共47頁第三十三頁，共48頁。模板合成法所謂模板就是利用某種分子（離子）的自身穩定結構和與底物之間存在弱相互作用的特點進行的控制合成，最初使用大的陽離子為模板：王鵬有機化學,2004,24,1633～1636第34頁/共47頁第三十四頁，共48頁。利用配位作用的大環合成王鵬模板底物弱相互作用氫鍵、電荷吸引、配位作用等催化劑：Cl2(PCy3)2Ru=CHPh烯烴復分解反應Angew.Chem.Int.Ed.

2003,42,228第35頁/共47頁第三十五頁，共48頁。王鵬H2,Pd/C再次加入模板，以利于結晶第36頁/共47頁第三十六頁，共48頁。利用建筑塊思想合成大環模板法里面使用模板作為反應惰性促進體，在合成中除模板與底物的作用點進行作用外，底物只是使用端基進行反應，結構內部并沒有參與反應。建筑物在建設時也僅是將建筑塊（空心磚、鋼架等）連接在一起就能夠完成，因此化學家們借用這個名詞BuildingBlock（建筑塊）稱呼反應底物該類思路使得我們設計大環時只要考慮好反應方式和反應角度即可得到需要的環合結構王鵬第37頁/共47頁第三十七頁，共48頁。王鵬ABABCC分子間反應建筑塊次級建筑塊次級建筑塊第38頁/共47頁第三十八頁，共48頁。王鵬過量溴二氯甲烷叔丁醇鉀THFn=1雙分子縮合32%主產物n=2三分子縮合9%n=3四分子縮合6%第39頁/共47頁第三十九頁，共48頁。王鵬n=5六分子縮合2%n=4五分子縮合4%第40頁/共47頁第四十頁，共48頁。王鵬建筑塊可以是分子、配合物甚至陰陽離子，它們反應中保持自身的穩定，就如同建筑材料構建建筑物一樣，通過底物分子間的反應構建大環分子通過單晶衍射得到的大環化合物的結構圖第41頁/共47頁第