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不对称Diels-Alder反应(三)区域选择性

本文作者:孙苏赟

对于非对称的二烯体和亲二烯体底物,反应的区域选择性依然可以用前线轨道理论来解释。

  1. 一般规律

一般来说,反应的规律是倾向于生成邻位和对位的产物,例如[1]:

以邻位产物为例,邻位产物所对应的过渡态更符合能垒最小的反应途径,以之前说的LUMO-HOMO相互作用来说,亲双烯体LUMO和双烯体HOMO相互作用时比亲双烯体HOMO和双烯体LUMO相互作用能量差更低:

如果有两个反应组分,双烯体X和亲双烯体YXY的端位常数分别为x, (x+n)和y, (y+m),那么按照Salem-Klopman方程可得出表两种相互作用的表达式分别为达式

xy+(x+n)(y+m) 和 x(y+m)+y(x+n):

n, m同号时,两式子相差:

[xy+(x+n)(y+m)]-[x(y+m)+y(x+n)]=mn>0

也就是说前者的相互作用大于后者,因此更有利于反应的发生。

同时,也可供电子推动的角度来看DA反应的区域选择性:

但是这个方法不能在所有的情况下推广,例如(Z)-1, 3-戊二烯酸和丙烯酸的反应中,上述理论使得双烯体的C4和亲双烯体的C3带有正电性,这样的反应中产物应该以间位产物居多,但是事实上邻位产物位主产物,占比90%:

因此以上的价键理论是存在缺陷的。对于以上双烯体和亲双烯体上有相同取代基的反应体系,可以用前线轨道理论进行一下处理:

计算得到,双烯体HOMO和亲双烯体LUMO的相互作用和双烯体LUMO和亲双烯体HOMO的相互作用相比,前者的能量差更小,因此在反应中体现出的结果是产物以邻位产物为主。

对于三类不同的取代基X, Z, C在双烯体和亲双烯体上不同的位置,一共有18种不同的组合,其中邻位产物由端位取代的双烯体产生,对位产物由非端位取代的双烯体产生,并且两者的数量各占一半,这里是几个例子:

2. 几个特例

a. X-取代基双烯体和X-取代基亲双烯体的反应

当双烯体和亲双烯体的取代基均为X类时,这样的环加成和以上的区域选择性就会有明显的出入,下边的前线轨道作用图就可以看出:

无论是X-取代的端位取代的双烯体还是非端位取代的双烯体,当他们和另一个X-取代的亲双烯体相互作用时,HOMO和LUMO的能量之差相差地不大,因此在实际的反应中两种反应方式的竞争效应不是很明显,以导致会产生较多的和之前规律预测相反的反应结果,例如:

另一个对于此类反应结果的解释是采用双自由基中间体的理论,因为周环反应的性质和自由基在一定程度上是类似的。例如2-取代的双烯体作为例子,可以发现反应中更加稳定的自由基中间体可以反应得到间位产物:

b. 硼取代基底物

当底物中取代基含硼时,硼的电负性会改变反应的性质,并且硼有一个可以作为σ-供电和π-吸电的空p轨道,所以我们可以把它当做一个Z取代基来降低双烯体中LUMO来活化反应。例如乙烯基-9-BBN,就可以在常温下非常快速的和双烯体发生环加成:

但是对应的烯基硼酸和硼酸酯衍生物的反应速率就大不如此了,因为硼原子的p轨道和氧原子发生共轭,因此对于共轭的双键的活化作用就不是那么的明显了。这里值得注意的是,反应得到间位加成产物的原因是由于9-BBN的大位阻使得难以发生得到邻位产物的反应。

c. 双羰基的差别活化效应

而对于二羰基取代的亲双烯体,反应也有一些特殊性。例如下边的顺丁烯二酸酐的加成反应:

由于甲基的超共轭作用,使得C4-羰基对双键的活化作用远不如C1-羰基,在此导向下产生的环加成区域选择性使得产物以邻位为主。另一个例子是在对苯醌衍生物作为亲双烯体的反应中,区域选择性的原理是类似的:

另外一种情况,是不对称且与其他体系共轭的双烯体,他们不能被简单的分类到X/C/Z取代的底物中去,例如托普酮,其LUMO和HOMO常数如下所示:

当不同电子密度环境的亲双烯体与之发生反应时,使用的前线轨道是不同的,但区域选择性相同:

3. 杂原子DA反应的区域选择性

能参与杂原子DA反应的官能团不是很多,例如在一定条件下的羰基,氰基,和一些其他含大电负性原子的不饱和体系。以羰基为例,因为碳-氧共轭的作用,使得羰基的LUMO能量相对较低:

因此大多数羰基参与的杂原子DA反应都是双烯体的HOMO和羰基的LUMO之间的相互作用而发生的,这样就解释了为什么羰基化合物的DA反应的区域选择性大都比较好:

而当羰基作为双烯体的一部分参与DA反应时,例如丙烯醛的二聚反应,反应的情况和之前说的顺丁烯二酸和丙烯酸的DA反应就有有些类似了:

References

  1. Chem. Int. Ed. Engl.,1967, 6, 16. DOI: 10.1002/anie.196700161

 

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