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化學 1965

軌道對稱守恆

羅伯特·伍德沃德 與 羅阿爾德·霍夫曼

電子的對稱性決定了一個環如何閉合——於是加熱與光照,依規則各自生成相反的形狀。

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In depth · the introduction

加熱一個分子,它會朝一個方向捲成環;用光照它,它卻朝鏡像的方向捲起來——而一條關於電子對稱性的規則,能預先告訴你:是哪一個。

核心想法

有些反應是在一次平滑的運動中發生的:一小段原子鏈捲起來,兩端在單一的協同步驟裡接上。伍德沃德與霍夫曼發現,這兩端如何擺到一起,並不是自由的。分子裡的電子,處在一種叫「軌道」的圖樣裡,它們有確定的對稱性;只有當這種對稱性在新鍵形成時被保持,閉環才是「被允許」的。

於是,你不必真去做反應,就能預言結果。數一數鏈中的電子,問一句用的是加熱還是光照,規則就會告訴你兩端必須如何旋轉——也就是產物精確的三維形狀。

它是怎麼來的

1960 年代初,那個時代最負盛名的合成化學家羅伯特·伍德沃德,在拼裝維生素 B₁₂ 時屢屢撞上頑固的立體化學:有些閉環偏要某一種幾何、就是不肯換另一種。他請哈佛一位年輕的理論家羅阿爾德·霍夫曼來計算分子軌道,於是 1965 年,他們發表了一小組論文,把這種規律變成了規則。

後來才看清,同樣的預言,其實早已觸手可及——既藏在福井謙一那個長期被忽視的「前線軌道」想法裡,也藏在齊默爾曼與杜瓦構想的過渡態圖像裡。原來,是三條路,登的是同一座山。

它為何重要

在規則出現以前,這些反應的立體化學是一堆彼此孤立的事實;之後,它們都能從一個數字——電子的數目——預言出來。化學家可以在動手之前,就知道一個環會不會閉成自己想要的形狀;還能透過選擇加熱或光照,有意地切換結果。「對稱性允許」與「對稱性禁阻」成了日常用語;而兩位作者甚至有足夠的把握,把這套規則表述為:對於真正協同的反應,沒有例外。

一個可以想像的畫面

把鏈的兩端,想成兩位必須牽手才能合成一圈的舞者。電子的圖樣,決定了他們是可以都朝同一方向轉(化學家稱之為「順旋」),還是必須相向而轉(「對旋」)。都朝同向轉,會讓他們空著的手落在相反的兩側;相向而轉,則讓它們落在同一側——而這,正是兩個不同分子之間的差別。加熱,讓其中一種牽法乾淨地成立;光照,則因把一個電子抬高一級,而翻轉了「哪一種牽法被允許」。

選擇含 4、6 或 8 個電子的鏈,並選加熱或光照;工具會顯示兩端是同向(順旋)還是反向(對旋)旋轉,以及環是反式還是順式。

它在何處

這是有機化學那場漫長轉變的一部分:從「描述反應」走向「由電子的行為預言反應」——正是這些電子,路易斯在 1916 年畫出了它們的共用電子對,鮑林在 1930 年代解釋了它們如何成鍵,二者都在本館之中。福井與霍夫曼因此共享了 1981 年諾貝爾化學獎;而兩年前已經去世的伍德沃德,無緣其中。

The original document
Original source text
R. B. Woodward & R. Hoffmann · J. Am. Chem. Soc. 87 (1965): 395, 2046, 2511 · reviewed in Angew. Chem. Int. Ed. 8 (1969): 781–853
The work appeared first as a sequence of short communications in 1965, each treating one class of concerted reaction, and was gathered four years later into a single review — and then a short book — under the title that names the principle: the conservation of orbital symmetry.
I · Electrocyclic reactions
The opening paper, “Stereochemistry of Electrocyclic Reactions,” defined the terms electrocyclic, conrotatory and disrotatory and stated the rule for the ring closure of a conjugated polyene: thermally, a system of 4n π electrons closes conrotatory and one of 4n+2 closes disrotatory; under photochemical conditions each is reversed.
II · Cycloadditions
Applied to two molecules joining into a ring, the same symmetry analysis makes the [4+2] (Diels–Alder) addition suprafacial–suprafacial and thermally allowed, while the [2+2] addition is thermally forbidden in that geometry and proceeds only on irradiation.
III · Sigmatropic rearrangements
For a σ bond migrating along a π system, the rules fix whether the shift may be suprafacial: a thermal [1,5]-hydrogen shift is allowed suprafacially, a thermal [1,3]-hydrogen shift is not — a distinction borne out by the stereochemistry of labelled substrates.
The general rule
The 1969 review compresses every case into one statement: a ground-state (thermal) pericyclic change is symmetry-allowed when the total number of suprafacial-(4q+2) and antarafacial-(4r) electron components is odd; for the photochemical reaction the count is even. The authors presented the rules as admitting no exception for a genuinely concerted reaction.
[ … ]
Department of Chemistry, Harvard University · 1965 – 1969