环加成反应
摘要：环加成反应在有机合成中有非常重要的应用，其基础理论前线轨道理论也是有机化学中非常重要的理论。本文主要简介环加成反应和前线轨道理论，并对前线轨道在环加成反应中的应用做简要介绍。
关键词：环加成反应 前线轨道理论 Diels-Alder反应
环加成反应(Cycloaddition Reaction)是两个共轭体系结合成环状分子的一种双分子反应, 它是由两个或多个不饱和化合物(或同一化合物的不同部分)结合生成环状加合物，并伴随有系统总键级数减少的化学反应。这类反应是合成单环及多环化合物的一种重要方法。有关环加成反应最早是德国化学家Diels与其学生Alder等在1928年通过环戊二烯与顺丁烯二酸酐发生[4＋2]环加成实现的。常见的环加成反应类型除[4＋2]外，还包括[3＋2], [2＋2＋2], [3＋2＋2], [4＋2＋2]等。环加成反应的主要特点是可以将不饱和链状化合物直接转变成环状化合物，包括三元、四元到九元、十元环等,且原子利用率高。在天然产物的全合成、药物化学等领域有着广泛的应用。
1、前线轨道理论简介
前线轨道是由日本理论化学家福井谦一提出的，他指出化合物分子的许多性质主要出最高占据分子轨道相最低未占分子轨道所决定的。凡是处于前线轨道的电子，可优先配对。这对选择有机合成反应路线起决定性作用。鉴于前线轨道理论对于有机化学发展的重要性，他获得了1981年的诺贝尔化学奖。
1.1 前线轨道的几个基本概念
分子周围的电子云，根据能量的不同，可以分为不同的能级轨道，根据能量最低原理，电子优先排入能量低的轨道。前线轨道理论中，将
占有电子的能级最高的轨道称之为最高占有轨道，
用HOMO表示；未占有电子的能量最低的轨道称之
为最低占有轨道，用LUMO表示（如图1-1）。有的
共轭轨道中含有奇数个电子，它的最高已占有轨道
只有一个电子，这种单电子占有的轨道称之为单占
轨道，用SOMO表示。在分子中，HOMO轨道对于电 子的束缚最为薄弱，LUMO轨道对电子的吸引力最
强，因而前线轨道认为，分子加发生化学反应，本
质上就是HOMO轨道与LUMO轨道的相互作用，形成
新的化学键的过程。特别的，SOMO在前线轨道理
论中即可作为HOMO处理，也可作为LUMO处理。我
们将HOMO轨道和LUMO轨道统称为前线轨道，用
FOMO表示，前线轨道上的电子称为前线电子。所
以，在分子间化学反应过程中，最先作用的轨道是
图1-1 丁二烯前线轨道示意图 前线轨道，起关键作用的电子为前线电子。
1.2 前线轨道间的相互作用
在有机化学中我们已经知道，两个分子中的轨道相互作用，必然产生两个新的分子轨道，
**一个轨道的能量降低△E，另一个轨道的能量升高△E，由于反键效应， △E略大于△E。
当两个HOMO轨道相互作用时，如图1-2所示，结果使总的分子轨道的能量增加，体系更加不稳定，因而HOMO轨道件无相互作用，不能成键。
当HOMO轨道与LUMO轨道相互作用时，形成两个新的轨道，一个能量降低，较HOMO轨道低，另一个轨道能量升高，较LUMO轨道高，生电子优先排入能量较低的轨道，使整体能量降低，体系趋于稳定，因而可以成键（如图1-3）。
根据上面的分析可以得出结论，HOMO轨道间互相排斥，而HUMO轨道与LUMO轨道之间互相吸引。
1.3 前线轨道处理环加成反应的原则
大部分环加成反应为双分子环加成反应，前线轨道理论认为，双分子间的环加成反应，必须满足一下几点要求：
(1)双分子加成反应过程中，起作用的轨道是一个分子的HOMO轨道和另一个分子的LUMO轨道，反应过程中，电子从一个分子的HOMO轨道流入另一分子的LUMO轨道。
(2)能量相近规则。相互作用的HOMO和LUMO轨道，能量必须接近，能量越接近，反应越容易进行。两轨道能量越接近，形成成键轨道能量越低，成键后能量降低的更多，体系更稳定。
(3)轨道最大重叠规则。在双分子环加成反应过程中，电子云密度大的原子倾向于与电子云密度大的原子相连，以这种方式成键后新化学键的键能更高，体系更稳定。
(4)对称性匹配原则。一个分子的HOMO和另一个分子的LUMO必须以正与正重叠，负于负重叠的方式互相接近进行反应。要根据符号相同的轨道相互作用时成键，符号不同的轨道相互作用时成反键的原则，来判断对称性是否匹配。
2 环加成反应分类
2.1 [2+2]环加成反应
[2+2]环加成反应是指两个双键发生加成反应生成四元环的过程，两分子烯烃发生[2+2]环加成是最简单的环加成反应，例如：
2.2 [4+2]环加成反应
又称狄尔斯-阿尔德反应（Diels–Alder reaction），是烯烃（或不饱和键）与丁二烯发生的1,4环加成，生成含六元环的有机化合物的反应，是最重要的环加成反应。狄尔斯–阿尔德反应用很少能量就可以合成六元环，反应有丰富的立体化学呈现，兼有立体选择性、立体专一性和区域选择性等，是有机化学合成反应中非常重要的碳碳键形成的手段之一，也是现代有机合成里常用的反应之一。丁二烯与顺丁烯二酸酐发生[4+2]环加成： H
+H
狄尔斯-阿尔德反应有如下规律[3],[4]：
（1）区域选择性：反应产物往往以“假邻对位”产物为主。即若把六元环产物比作苯环，那么环上官能团
（假设有两个官能团）之间的相互位置以邻位
（如1），或者对位为主（如3）。
（
2）立体选择性：反应产物以“内型(即
5)”为主，即反应主产物是经过“内型”过渡态
得到的。
（3）立体专一性：加热条件下反应产物以“顺旋”产物为唯一产物；光照条件下以“对旋”产物为唯一产物。
2.3 1,3—偶极环加成反应
1,3-偶极环加成反应，或被称为Huisgen
反应，Huisgen环加成反应，是发生在1,3-
偶极体和烯烃、炔烃或其衍生物之间的一个协同周环的环加成反应。烯烃类化合物在反应中称亲偶极体（dipolarophile
）。
根据前线轨道理论，基态时1,3-偶极体的LUMO和亲偶极体的HOMO，以及基态时1,3-偶极体的HOMO和亲偶极体的LUMO，都是为分子轨道对称守恒原理所允许的，因此反应可以发生。
1,3-偶极环加成反应经过五元环的过渡态，是总电子数6π体系的协同反应。它受溶剂的极性影响很少，而且是立体专一的顺式加成反应。分子内或逆向的1,3-偶极环加成反应都是可以发生的。
2.4 小环参与的环加成反应[3]
有些具有张力的环丙烷环系，由于具有显著的π键性质，也可以发生环加成反应。例如下图中的四环庚烷与DMAD的反应：
3 前线轨道在环加成反应中的分析应用
3.1 [2+2]环加成
我们根据前线轨道理论来分析两个乙烯分子加成生成环丁烷的反应。我们知道，乙烯分子含有分子轨道，当分子处于基态时，两个π电子位于能量较低的成键轨道上，反键轨道上没有电子；当电子吸收能量处于激发态时，有一个电子跃迁到反键轨道上，从而使成键轨道与反键轨道上各有一个电子，如图3-1所示。
图3-1 乙烯的π分子轨道及基态和激发态时π电子分布
按照前线轨道理论，在加成反应时，必须是一分子的HOMO轨道中的电子流入另一分子的LUMO轨道中。反应在加热条件下进行时，分子处于基态，一个烯烃分子的HOMO
即
π键，和另一烯烃分子的LUMO即π*键面对面的互相接近，由于烯烃的HOMU和LUMO具有不同的对称性，它们不能同时在两端重叠，因此热反应是对称禁阻，如图3-2所示。
LUMO
LUMOHOMO
图3-3 乙烯分子基态时环加成 图
3-3 乙烯分子激发态时环加成
当乙烯分子在光照条件下进行时，光反应与热反应不同，它是一个处于激发态的分子与另一个处于基态的分子之间的反应。在光照射下一个烯烃分子中的一个π电子从原来的HOMO跃迁至LUMO，激发态乙烯的π和π*轨道都各占一个电子，形成两个单占分子轨道SOMO。激发态的单占π*轨道与另一个处于基态下的烯烃分子的LUMO对称性相同，可以重叠，是对称允许反应，如图3-3。在这两对轨道对称性都匹配，在进行反应时，总体的结果都是使体系的能量降低，如图3-4所示，因为可以反应成键。
从上述分析可以看出：在光的作用下，[2+2]环加成是对称允许反应；在加热条件，[2+2]环加成对称禁阻。
SOMO
图3-4 激发态乙烯与基态乙烯环加成反应
图3-5 丁二烯与乙烯的分子轨道
3.2 [4+2]环加成反应
3.2.1 对称性匹配原则
以丁二烯与乙烯的反应为例进行分析。基态时，丁二烯与乙烯的分子轨道如图3-5所示。在基态时，无论是丁二烯的LUMO轨道与乙烯的HOMO轨道，还是丁二烯的HOMO轨道与乙烯的LUMO轨道，都是对称性匹配的，因而在加热的条件下，丁二烯与乙烯的[4+2]环加成反应是可以顺利进行的。因为两种轨道重叠方式都是对称允许的，而环加成反应只需一种重叠方式符合前线轨道理论要求反应就可以进行，因为根据电子的流向可将[4+2]环加成反应分为三类。将电子从双烯体系的HOMO轨道流入乙烯的LUMO轨道的[4+2]环加成反应称为正常的D-A反应；将电子有亲双烯体的HOMO轨道流入双烯体的LUMO轨道的[4+2]环加成反应称为反常的D-A反应；电子双向流动的反应成为中间的D-A反应。
如何才能确定电子的流向呢？这需要用前线轨道理论中的能量相近原则进行判断。尽管丁二烯与乙烯的反应时对称允许的，但实际上，反应并不能很顺利的进行，但是如果在乙烯或者丁二烯分子中增加取代基，那么反应就能很顺利的进行了。这主要是因为引入取代基后一对HOMO轨道与LUMO轨道的能量差减小，从而有利于反应的进行。电子流动方向也是沿着能量差小的HOMO轨道流入LUMO轨道。下面进行具体分析。
3.2.2 能量相近原则
类比原子的电子亲和能和电子解离能， HOMO轨道的能量采用分子电离能的负值，可以从光电子能谱或其他近代物理测量方法得到，比较可靠。LUMO能量数据，尽可能采用电子亲和能负值，但有些有机分子的电子亲和能数据有的还没有，就需从其他方法估计或采用计算数据，因而LUMO的能量不如HOMO能量数据可靠。
当双烯或者亲双烯体连有取代基时，由于π键电子云受取代基影响发生偏移，并且电子云密度改变，从而其HOMO轨道和LUMO轨道的能量都将发生改变。取代基对分子轨道的能量影响如下[5]：①吸电子基团：可以降低HOMO和LUMO的能量；②给电子集团：可以增高HOMO和LUMO的能量；③共轭碳链增长：可以增高HOMO能量，降低LUMO能量。
当烯烃双键上连有-CHO,-CN,-NO2等吸引电子取代基Z时，丁二烯与乙烯的反应更容易进行，这是由于取代基的作用，使乙烯的LUMO轨道能量降低，从而使丁二烯的HOMO轨道与之能量差减小，从而反应容易进行。不含取代基的D-A反应与含吸电子取代基的D-A反应的前线轨道能量图如3-6，3-7所示。 乙烯丁二烯
LUMO
1.5eV 1eV
-9.1eV HOMO -10.5eV
△E(双烯 HOMO-亲双烯体 LUMO)=10.6eV
△E(双烯 LUMO-亲双烯体
HOMO)=11.5eV
图3-6 丁二烯和乙烯的前线轨道能量图
LUMO 0eV 1eV
-9.1eV
HOMO -10.9eV
△E(双烯 HOMO-亲双烯体 LUMO)=9.1eV
△E(双烯 LUMO-亲双烯体 HOMO)=11.9eV
图3-7 丁二烯和丙烯醛的前线轨道能量图
可见，HOMO轨道与LUMO轨道之间的最小能量差由10.6eV减小到9.1eV，能量差减小，反应更容易进行。由于双烯的LUMO轨道与亲双烯的LUMO轨道能量差和双烯HOMO轨道与亲双烯LUMO轨道的能量差很接近，乙烯与丁二烯的环加成反应属于中间D-A反应；当烯烃上连有吸电子取代基后，其HOMO轨道、LUMO轨道能量均下降，导致双烯HOMO轨道与亲双烯体的LUMO轨道能量差更小，属于正常的D-A反应，若在亲双烯体中增加给电子基团，其HOMO轨道能量上升，双烯HOMO轨道与亲双烯体的LUMO轨道能量差会变得更小，这种现象更明显，例如1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的D-A反应，其最小能级差仅有
8.5eV，如图3-8所示。如果在双烯体上增加吸电子取代基，在亲双烯体上增加给电子取代基，乙烯的HOMO轨道能量上升，丁二烯的LUMO轨道能量降低，这两个轨道间的能量差将小于丁二烯HOMO轨道与乙烯LUMO轨道的能量差，从而电子将由乙烯的HOMO轨道流入丁二烯的LUMO轨道，为反常的D-A反应，三种D-A反应的能级示意图如图3-9所示。
X 2.5eV
LUMO 0eV
X
HOMO -10.9eV
△E(双烯 HOMO-亲双烯体 LUMO)=8.5eV △E(双烯 LUMO-亲双烯体 HOMO)=13.4eV
图3-8 1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的前线轨道能量图
反DA
反应
中间的DA
反应正常的DA反应
双烯亲双烯体双烯亲双烯体双烯亲双烯体
图3-9 Diels-Alder反应的三种类型
3.2.3 轨道最大重叠原则
根据上述的两个原则，我们还是无法判断D-A反应过程中的立体选择性，例如刚才提到的1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的反应，我们只知道电子由双烯体系流入亲双烯体系，但是无法解释产物中甲氧基与醛基为什么处于邻位而非处于间位。这需要用轨道最大重叠原则来判断。 HO
CH3
HO
+
HO
轨道最大重叠原则是说，在形成新C-C键的过程中，电子云密度高的原子倾向于与电子云密度高的原子形成化学键。在前线轨道理论中，电子云密度用轨道系数来表示，轨道系数越大，表示电子云密度越大[6]。下图3-10描述的为1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的前线轨道图，途中的圆圈大小粗略的正比于轨道系数大小，黑白代表取向。显然，左边的情况符合轨道最大重叠原则，所以采用作图的形式成键，产物中甲氧基与醛基处于邻位。
HO
HO
HOMOLUMOLUMOHOMO -8.5eV0eV2.5eV—
10.9eV
图3-10 1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛前线轨道
用同样的方法，我们还可以判断环反应得到的是[4+6]加成物而不是[4+2]加成物。
首先考虑[4+6]环加成的对称性是否匹配，卓酮与环戊二
烯的分子轨道在基态时对称性匹配，轨道如右图所示。
能量相近不影响产物的判断这里略去其分析。卓酮与环戊二烯的轨道系数如图3-12所示，无论是采取哪种电子流向，卓酮轨道最大的系数在C2和C7,，不在C2和C3，1,6加成更符合轨道最大重叠原则，因而发生[4+6]环加成反应，生成一个十元环。
.232
.418-.600 -.418
.600
LUMOHOMO
.600
-.371-.326 -.653 -3.26-.371.600
HOMOLUMO
图3-12 环戊二烯和卓酮的前线轨道系数
3.2.4 次级相互作用
环戊二烯和顺丁烯二酸酐发生Diels-Alder反应，有可能得到内型和外型两种异构体。在2.2（2）中已经介绍，反应是经内型过渡态进行的，内型产物为动力学产物，外型产物位阻更小，为热力学产物。
内型
外型
[7]
在一般情况下，反应常常得到內型产物，这是由于丁二烯与顺丁烯二酸酐上羰基的π轨道发生次级相互作用导致的，这种作用也可以用前线轨道理论来解释。在环加成反应过程中，两个羰基的π轨道与环戊二烯C2，C3位的轨道是对称性匹配的，可以发生一定的重叠。次级相互作用如图3-13 所示。
图3-13 Diels-Alder反应的次级相互作用
4 金属催化环加成
过度金属与配体能形成稳定的配位化合物, 中心离子价电子排布为d8, 其空轨道可以以 d2sp 杂化方式接受电子, 因而是很好的 Lewis 酸. 近年来钯手性 Lewis 酸催化剂的研制及其在不对称 Diels-Alder反应中的应用, 得了巨大的进展, 已报道的这类催化剂中, 许多催化效率高、用量少、立体选择性和区域选择性好, 且易制备, 在合成化学选择性和区域选择性的六元环和多取代苯上有许多独特优势。目前，已知的可催化环加成的金属有Pd，Ir，Co，Ni等[8],[9],[10]。
金属催化机理非常相似，首先过度金属与烯烃形成配合物，之后发生化学键迁移反应形成加成，Ni催化碳硼炔-单炔-单炔(烯)三组分[2＋2＋2]环加成[9]的机理图图4-1所示。首先苯炔、烯丙酸与Ni(0)配合物氧化偶联形成五元镍环中间体 58,活泼烯烃中氧的孤对电子与镍的空d轨道配位有助于该中间体的稳定; 随后极化炔烃插入Ni—Caryl键得到七元镍环中间体 59; 再通过还原消除得到最终产物二氢化萘衍生物 55a.
图4-1 碳硼炔-单炔-单炔(烯)三组分[2＋2＋2]环加成
5 富勒烯环加成
研究表明, C60具有缺电子烯烃的性质, 可以发生一系列的环加成反应。由于环加成反
应的条件温和、收率高、稳定性较好，易得到单加成产物，因而成为对 C60进行化学修饰的热门反应。主要反应类型包括[2＋1]， [2＋2]，[2＋3]，[2＋4]，[9～12]，C60除了上述几种常见的环加成反应类型外，还可发生[2＋5]，[2＋6]，[2＋8]聚环加成等[13～16]反应，目前这几种反应的报道比较少见，其中[2＋3]环加成反应是人们研究较多的一类反应[11]。下面是一个利用1,3—偶极环加成反应修饰富勒烯的实例。
将亚胺叶立德中引入不同的官能团可以得到不同修饰的富勒烯，如图5-1所示。
图5-1 不同修饰的富勒烯
此外还可以将两个或多个富勒烯通过加成反应连接成一个大分子。
图5-2 两分子富勒烯与双亚胺叶立德的反应
图5-3两分子富勒烯与修饰过的双亚胺叶立德的反应产物
6 参考文献
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