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不对称Diels-Alder反应(一)轨道相关图

本文作者:孙苏赟

对于不经历中间体的反应,我们一般称为协同反应。而这类反应中一般涉及的过程称为过渡态,在过渡态中包含了化学键的断裂和生成。到目前为止,对于不同分子内和分子间的协同反应的研究已经非常广泛和深入了,其中最重要的一类反应是Diels-Alder反应(或DA反应),又称[4+2]-环加成反应。这类反应的过渡态是特征的环状过渡态,即所谓的周环反应,并且反应的环装过渡态必须要满足某些具体的参与轨道要求,以实现原子之间的相互作用而实现化学键的断裂和形成。由于各种药物合成和天然产物合成上的需求,化学家们随后又开发出了多种方法以实现此类反应的区域选择性和立体化学选择性,即实现的不对称的Diels-Alder反应。

要理解周环反应的过渡态的细节,一方面需要提到由Woodward和Hoffman提出的分子轨道对称性守恒原理[1],也就是后来常说的Woodward-Hoffmann规则。另一方面,日本化学家福井谦一提出了前线轨道理论,它可以为包括周环反应在内的更多反应提出具有很高契合度的反应机理和过渡态理论解释。为此Hoffman和福井谦一共享了1981诺贝尔化学奖(这里值得一提的是的Woodward早在1965年因为在天然产物的全合成的成就而获得了诺尔化学奖,但是遗憾的是Woodward在1979年过世了,否则理应与Hoffmann共获诺贝尔奖)。

Woodward-Hoffmann规则在用于预测后来新发现的周环反应的产物和解释反应中分子轨道的行为中作出了很大的贡献。Woodward-Hoffmann规则中认为,参与反应的每个轨道在反应时其对称性都需要保持,并且这些限制条件还用于判断反应中轨道是否在对过渡态在能量上有利允许或不利禁阻。这些可发生的反应在电子的性质上具有的某些共性,后来又被和Huckel和Mobius体系联系在了一起用于判断体系的芳香性。由于这些反应的都会经历一个高度规整的环状过渡态[2-4],并伴有一些特殊的轨道排布行为,协同的周环反应的立体化学一般具有非常高的可预测性。在许多反应中,一步反应可以同时形成两个甚至是多个立体化学中心,但是反应底物的具体结构,例如取代基效应和位阻效应,会对反应产物产生直接的影响。

环加成反应一般指的是两个底物之间反应得到一个新的环状化合物的反应,此类反应经历的一个协同的过程,即反应物到生成物之间没有中间体,直接形成得到两个反应组分的加合物。环加成反应最具代表的例子即是Diels-Alder反应,在DA反应中涉及的两组分分别是双烯体和亲双烯体,DA反应的产物也是特征的环己烯结构。

从分子轨道的角度来看,DA反应是一个[4πs+2πs]类型环加成,是一个允许的过程,但是过渡态中需要双烯体处于scis构型,亲双烯体只能从双烯体的某一侧以面平行的方式接近亲双烯体来发生反应。由于π轨道的对称性,双烯体的两个端位碳可以在上述的过程中被稳定。通常,强烈的成键作用会发生在双烯体的HOMO和亲双烯体的LUMO之间,因此富电的双烯体和缺电的亲双烯体会更有利于反应的发生:

以最简单的DA反应,丁二烯和乙烯的环加成反应为例,反应的轨道只有一个不变的对称元素,即只有一个对称面:

所以所有的分子轨道不是对称的(S)就是非对称的(A)。反应物的分子轨道很简单,为两者的π轨道,而产物中包含了新形成的C-C σ键轨道和对应的π/π*轨道对,反应需要满足轨道对称性守恒。反应物的所有被电子充满的分子轨道和产物被电子充满的轨道相关,而空轨道与空轨道相关,没有激发态的产物,而是反应物的基态与产物高度相关。DA反应在轨道对称的角度上无疑是被允许的,即按照下图中的方式是被允许的,而且这是一类普遍对DA反应有效的模型。

再看生成物中新形成的键,两个成键的轨道σ和对应的反键轨道σ*,σ1, σ2, σ3*和σ4*,其中σ1和σ3*由于π轨道的作用能量低于反应物,而σ2和σ4*反而由于π轨道的作用而处于能量较高的状态:

References

  1. J.Am. Chem. Soc.1965, 87, 2, 395–397. DOI: 10.1021/ja01080a054
  2. J.Am. Chem. Soc.1965, 87, 9, 2045–2046. DOI: 10.1021/ja01087a033
  3. Chem. Res.1971, 4, 8, 272–280. DOI: 10.1021/ar50044a002
  4. Chem. Int. Ed. Engl.,1992, 31, 682 (1992). DOI: 10.1002/anie.199206821

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