文 | 宋文杰的宇宙
编辑 | 宋文杰的宇宙
前言许多化合物，虽然总体上是中性的，但都有一个正原子和一个负原子，并且没有一个没有电荷的共振结构。
在环加成化学中，我们处理的是带电原子被一个原子分开的情况，被称为1,3-偶极子。
这些化合物对烯烃和炔烃，以及这些杂原子衍生物反应，在环加成过程中形成5元杂环。这些不饱和参与者被称为双极粒体。偶极环加成物可能是所有5元杂环合成中最通用的。
偶极子有另一个特征中心原子必须有一个电子对，才能通过正电荷的分散来稳定物种。因此，中心原子不可能是碳；事实上，它通常是氮，尽管氧和硫是其他的可能性。
我们可以写出偶极子的广义结构为5.23，相应的共振形式为5.24。
我们在5.23中证明了原子a有一个六重奏的电子，是一个阳离子；原子c有一个八重体，是一个阴离子；b有一个带有自由电子对的八重奏。
为了帮助识别原子上的形式电荷，可以使用以下表达式：形式电荷=（原子上的价电子数）-1/2（键合中使用的电子数）-（非键合电子数），因此，如果5.23中的c是一个有6个价电子的氧原子，我们将有6−1/2(2)−6=−1作为电荷。
另一种构型有一个多重a到b键，如混合动力学5.25。
请注意，c原子总是带有一个负电荷，并且不参与共振离域化。
氮存在的另一个一般特征是，有四个键的N必须总是带有正电荷；有三个键它是中性的，有两个键它必须是负的。
我们可以想象（但不能作为一种机制）双键在1,3位有电荷的形式（方案5.23），尽管大多数偶极子用1,2位有电荷的共振形式更好地表示。
许多结构满足电子功能的要求，作为一个1,3-偶极子，慕尼黑大学的R. Huisgen首先用1,3-偶极子来解释文献中较古老的结构。
他（和其他人）继续合成了许多新的偶极子，并证明了它们与各种双极性试剂的环加成，新的结构仍在创造中，领域是如此之大，以至于两个主题的论文已经出版。
偶极子最简单的例子可能是臭氧，它以与烯烃的反应而闻名，其共振杂化显示为5.26。
羟胺衍生物的氧化，后者表示羟胺与醛或酮的反应，硝基酮通常是在需要的时候制备，因为它们的稳定性很低。
典型硝基酮的共振杂化显示为5.27。
利用上述讨论的偶极子与碳碳双键和三键的环加成反应，可以制备出多种杂环化合物。
其中一些已经在下面的方程式中得到了说明。在大多数情况下，区域异构体是可能的，但通常主要的产物是在环取代基之间具有最小的空间相互作用。然而，其他因素也可以在产品导向中发挥作用。
1、2、3-从叠氮化物中提取的三唑类衍生物。
这种三唑啉是不稳定的，可以平稳地消除n2，留下氮嘧啶作为产物，这是一种有效的氮吡啶合成方法。
三唑从叠氮化合物，这种类型的环加成物是形成三唑环体系的一个有价值的合成途径。
如图方案5.30所示，这种组合可以追溯到Huisgen的早期工作，但在最近发现它受Cu (I)化合物的催化作用。
反应在温和条件下快速，具有高的区域特异性，发生在包括水在内的多种溶剂中。
此外，反应产物易于分离，具有这些特征的反应被称为包含“电击化学”；这个术语是由k·b·夏普莱斯创造的。
第一个也是最常用的反应确实是叠氮化物-炔环加成，自铜催化发现以来，对三唑血红产生了新的兴趣，该工艺的一个特别重要的应用是在聚合物和材料化学领域，在这些领域已经发表了许多论文。
聚合物中是指三唑环在链上或分支上的重复单位，或在后功能化过程中用于后功能化过程。
这一令人兴奋的和仍在发展中的1,3-偶极环加成物的新方面是2007年的一篇综述的主题。
对于烯烃，硝基酮环加成物很容易得到饱和异恶唑烷（方案5.31)。
具有三键的氮酮环加成也有价值，并给予异恶唑啉衍生物。
在一篇关于合成天然产物皮质抑素的部分结构的论文中，报道了这种环加成物的先进应用。在这里，在氮酮的存在下，三键以苯基（5.30，方案5.32 A）的形式产生。
当然，苯乙烯在室温下并不稳定，必须根据需要在反应混合物中生成，在这种特殊的情况下，硝基酮反应物有这个基团偶联到一个双键上，如结构5.31所示，环加成物正常进行，得到加合物5.32。
从碳酸乙酯中提取的四氢呋喃，碳基内酯是一种不寻常的物种，必须根据需要产生。
一种方法是以热化学或光化学的方式打破某些环氧化物的C-C键，从而产生一个开链，因此，一个碳带正电荷，另一个碳带负电荷，这是碳基核内酯的结构特征。
这如方案5.33 A所示。随后立即用烯烃进行环加成，得到四氢呋喃衍生物（方案5.33）
呋喃提供了一个有用的例子，二烯作为双极性试剂。如第6章将讨论的，该分子的芳香度在5元杂环中最低。它作为Diels-Alder环加成物中的二烯也很有用，但在这里我们将观察到一个双键可以与一个1,3-偶极子发生反应（方案5.34）。
一些双极化试剂具有涉及杂原子的双键或三键（如C=O、C=N、C=S和腈）。
一般来说，它们的作用方式与纯碳多键相同，并且在提供多杂原子循环方面很有价值，有一些指导方针可以预测某些组合的首选区域异构体，因为总会有两种可能性。
一些异质-异质结构具有较弱的西格玛键稳定性，其形成不受欢迎，因此，有三个杂原子结合的结构将比有两个键结合的结构更不稳定。
此外，由于过氧化物键固有的不稳定性，应避免氧-氧键的形成。在没有这些特征的地方，空间相互作用可能是一个不利的因素。
然而，Mo理论可以用于做出预测
在产品预测中不可靠的一个结构特征是参与新键合的原子的电荷。例如，人们会认为，偶极子的正端可能与亲偶极子的负原子结合，反之亦然；有时是这样，但并不总是这样。
许多异双极性试剂环加成的例子是已知的。
分子内环加成反应。正如对Diels-Alder环加成物所显示的那样，在一个1,3-偶极环加成物中的两个参与组有可能在同一个分子中。
不存在空间约束，这两个组必须能够被带到所需的方向，在文献中有许多用这种方法合成复杂杂环体系的案例，在方案5.38中给出了两个例子。
1,3-偶极环加成反应的特性与我们熟悉的离子机制的操作不一致，因此，溶剂对反应速率的影响很少或没有影响，也没有检测到中间体。
更能说明问题的是，观察到的反应并不总是通过亲核中心和亲电中心的结合来进行的。
涉及自由基机制的概念曾被考虑过，但已不再赞成。
对该机理的最好解释是，该反应是一个协同的（即没有中间产物的单步）环加成，并依赖于前面讨论的Diels-Alder环加成的轨道相互作用，因此，它可以用分子轨道理论来进行最好的描述。
根据这一理论，在边界HOMO和LUMO轨道之间会发生相互作用形成新的西格玛键。
以下两种组合是可能的： (1)偶极上存在吸电子基团时偶极HOMO和双极LUMO；(2)偶极和双极上是偶极LUMO和双极HOMO。
它只描述了这两种情况下的边界轨道，这一理论并不排除一种新的西格玛键的形成可能比另一种更先进，以及过渡态可能是不对称的可能性。
通过计算每个组合的轨道能量而建立的，能量差最小的组合将是首选的组合。
正如我们将讨论的，这种计算对于预测可以形成两个区域异构体的环加成物的结果具有重要的实际意义。
许多常见的偶极环加成反应物的轨道能量在其他地方也有。
我们将用一个典型反应的能量来确定它们可以如何应用，丙烯酸乙酯与重氮甲烷为偶极子的反应的两种可能的前沿轨道相互作用的能量如图5.9所示。
能量差距较小（9 eV vs. 12.8 eV）的偶极子和偶极性的LUMO，这是一致的普遍性，吸电子基团的存在（COOEt）将有利于这种组合。
从实际的角度来看，更重要的是Mo理论对环加成区域化学的预测（即两种可能的异构体中哪一种将是主要产物）。
空间位阻效应肯定会影响加法的过程，在没有这些影响的情况下，由Mo理论计算出的原子轨道系数（AOCs）是有用的。
关于系数的数据是可用的，这使得确定许多环加成物的区域化学成为可能；这里我们将只使用一组数据来说明它们在预测中的用途。
再次描述了丙烯酸乙酯-重氮甲烷环加成反应，相互作用轨道的相关系数如图5.10所示。
每个反应物的最大AOC之间都会发生相互作用，在这里，偶极子的最大AOC为0.51，亲双极子的最大AOC为0.37，这就得到了图5.10中对主要区域异构体的预测，这实际上就是实验结果。
比diel-Alder和偶极环加成作用更有限的反应，是一组涉及两个双键的相互作用的反应，得到四元环。
这些被称为[2 2]环加成物，然而，根据轨道对称理论的原则，协同热环加成是被禁止的。光化学环加成是允许的，一些工艺已经受到该技术的影响。
另一种机制涉及一个非循环中间体，然后循环化。四元环的稳定性可能不如5元和6元环，它们在实际有机化学中很少遇到。
参考文献：D.Y.美国化学杂志、2006年《社会》，128，10370.DOI:10.1021/ja063304f
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