[2 + 2]光环加成是烯酮与烯烃的激发态的组合，产生环丁烷。尽管允许光化学协同[2 + 2]环加成，但烯酮和烯烃之间的反应是逐步的并且涉及离散的双自由基中间体。

介绍

1908年，Ciamician发现，当将香芹酮暴露于阳光下一年后，香芹酮樟脑就会产生。在20世纪50年代证实了这一发现后，一系列研究确定了烯酮和烯烃之间光化学[2 + 2]环加成的合成价值，用于构建复杂的分子框架。^[3] [4]尽管有逐步的自由基机制，但立体选择性的分子内和分子间变异都已出现。循环烯酮必须用于防止竞争的顺式 - 反式异构化。

[2 + 2]光环化可以产生两种结构异构体，这取决于烯烃和烯酮羰基上取代基的取向。当烯酮羰基和最高优先级的取代基是近端时，异构体被称为“头对头”。当烯酮和取代基在远端时，异构体被称为“头对尾”。这些异构体之一的选择性取决于空间和电子因素（见下文）。

（1）

流行机制

[2 + 2]光环化的机制始于烯酮对单重激发态的光激发。单重状态通常非常短暂，然后发生系统间交叉到三重态。此时，烯酮与基态烯烃形成激态复合物，最终形成三重态双自由基中间体。必须在关闭环丁烷产物之前进行旋转反转至单线态双自由基。^[5]

（2）

范围和限制

反应的区域化学主要受两个因素控制：空间相互作用和激发的烯酮与烯烃之间的静电相互作用。激发的烯酮相对于基态表现出极性反转，因此β碳具有部分负电荷。在第一键形成的过渡态中，烯烃倾向于自身排列，使得其偶极子的负端指向远离烯酮的β碳。^[6]

（3）

空间相互作用促使在新的环丁烷环的相对侧上放置大的取代基。^[6]

（4）

如果烯酮和烯烃包含在5个或更少原子的环中，则保留双键构型。然而，当使用较大的环时，反应过程中的双键异构化成为可能。这种能量浪费过程与环加成竞争^[7]，并且在产生顺式和反式融合产物混合物的反应中很明显。

（5）

在大多数情况下，非对映体选择性是高度可预测的。烯酮和烯烃的受阻较小的面反应。^[8]

（6）

根据反应区域选择性，分子内[2 + 2]环化可以产生“弯曲”或“直链”产物。当烯酮和烯烃之间的系链长度为两个原子时，由于五元环的快速形成，弯曲的产物占主导地位。^[9]较长的系绳往往会产生直的产品。^[10]

（7）

系绳也可以连接在烯酮的2位。当烯烃在此处被束缚时，烯酮的4位上的庞大取代基强制产生适度的非对映选择性。^[11]

（8）

[2 + 2]光环加成的主要困难是与双自由基中间体或激发烯酮相关的副反应的可能性。通过明智地选择反应条件，通常可以使这些副反应最小化。

合成应用

[2 + 2]光环化已被用于合成具有有趣拓扑结构的有机化合物。它被用作关键步骤，例如，在立方烷的合成中。^[12] Favorskii重排确定了立方烷的碳骨架，进一步的合成操作提供了所需的非功能化目标。

（9）

实验条件和程序

典型条件

可以使用多种溶剂，尽管溶剂应该脱氧以防止与氧的自由基反应。丙酮是一种有用的溶剂，因为它可以作为三重敏化剂。不含烯烃的己烷（可通过用硫酸处理本体己烷过夜，然后用饱和碳酸氢钠洗涤而获得）可用于分子内反应。尽管区域选择性和立体选择性可能取决于温度，但反应温度并不重要。所用光的波长也很重要，因为环加成物不能吸收光子并参与其自身的光化学。对于分子间反应，应使用过量的烯烃以避免烯酮的竞争性二聚化。

示例程序^[13]

（10）

将5-氟尿嘧啶（0.39g，3mmol）和4mL亚甲基环戊烷在150mL丙酮中的溶液置于配备有浸入式孔，Corex过滤器套管和450-W Hanovia汞灯的标准光化学反应器中。将溶液照射2小时，除去溶剂。残余物用乙酸乙酯重结晶，得到0.47g（76％）光加合物，熔点265-266°。IR 1700 cm ^-1。¹ H NMR（DMSO-d ₆）δ1.0-1.9（8H，br m），2.0-2.6（m，被DMSO部分遮蔽），3.95（1H，d，J = 21Hz），8.02（1H，s） ，10.44（1H，br s）。肛门。C ₁₀ H ₁₃ N ₂ O ₂ F的计算值：C，56.6; H，6.2; N，13.2。实测值：C，56.7; H，6.2; N，13.2。