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化学 1965

轨道对称守恒

罗伯特·伍德沃德 与 罗阿尔德·霍夫曼

电子的对称性决定了一个环如何闭合——于是加热与光照,依规则各自生成相反的形状。

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In depth · the introduction

加热一个分子,它会朝一个方向卷成环;用光照它,它却朝镜像的方向卷起来——而一条关于电子对称性的规则,能预先告诉你:是哪一个。

核心想法

有些反应是在一次平滑的运动中发生的:一小段原子链卷起来,两端在单一的协同步骤里接上。伍德沃德与霍夫曼发现,这两端如何摆到一起,并不是自由的。分子里的电子,处在一种叫「轨道」的图样里,它们有确定的对称性;只有当这种对称性在新键形成时被保持,闭环才是「被允许」的。

于是,你不必真去做反应,就能预言结果。数一数链中的电子,问一句用的是加热还是光照,规则就会告诉你两端必须如何旋转——也就是产物精确的三维形状。

它是怎么来的

1960 年代初,那个时代最负盛名的合成化学家罗伯特·伍德沃德,在拼装维生素 B₁₂ 时屡屡撞上顽固的立体化学:有些闭环偏要某一种几何、就是不肯换另一种。他请哈佛一位年轻的理论家罗阿尔德·霍夫曼来计算分子轨道,于是 1965 年,他们发表了一小组论文,把这种规律变成了规则。

后来才看清,同样的预言,其实早已触手可及——既藏在福井谦一那个长期被忽视的「前线轨道」想法里,也藏在齐默尔曼与杜瓦构想的过渡态图像里。原来,是三条路,登的是同一座山。

它为何重要

在规则出现以前,这些反应的立体化学是一堆彼此孤立的事实;之后,它们都能从一个数字——电子的数目——预言出来。化学家可以在动手之前,就知道一个环会不会闭成自己想要的形状;还能通过选择加热或光照,有意地切换结果。「对称性允许」与「对称性禁阻」成了日常用语;而两位作者甚至有足够的把握,把这套规则表述为:对于真正协同的反应,没有例外。

一个可以想象的画面

把链的两端,想成两位必须牵手才能合成一圈的舞者。电子的图样,决定了他们是可以都朝同一方向转(化学家称之为「顺旋」),还是必须相向而转(「对旋」)。都朝同向转,会让他们空着的手落在相反的两侧;相向而转,则让它们落在同一侧——而这,正是两个不同分子之间的差别。加热,让其中一种牵法干净地成立;光照,则因把一个电子抬高一级,而翻转了「哪一种牵法被允许」。

选择含 4、6 或 8 个电子的链,并选加热或光照;工具会显示两端是同向(顺旋)还是反向(对旋)旋转,以及环是反式还是顺式。

它在何处

这是有机化学那场漫长转变的一部分:从「描述反应」走向「由电子的行为预言反应」——正是这些电子,路易斯在 1916 年画出了它们的共用电子对,鲍林在 1930 年代解释了它们如何成键,二者都在本馆之中。福井与霍夫曼因此共享了 1981 年诺贝尔化学奖;而两年前已经去世的伍德沃德,无缘其中。

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