高等有机化学diels-alder反应的理论研究新进展

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1、Diels-Alder反应的理论研究新进展化学化工学院胡成090900004摘要：Diels-Alder反应已经成为合成六元环加成化合物、天然萜类化合物和药物中间体、哌啶衍生物的一个关键步骤，随着在合成领域取得令人瞩目的成果，Diels-Alder反应的机理研究也取得了一定的进展。该文综述了国内外Diels-Alder反应最新的理论研究，在催化剂lewis酸、噁唑硼烷、水溶剂、离子溶剂和超临界CO2溶剂等反应条件下，从热力学，动力学的角度总结分析了各个条件对反应速率，立体选择性的影响，并对理论的研究方向进行了展望。关键词：Diels-Alder；B3LYP/6-311G；噁唑硼烷；离子液体

2、；水；超临界CO2流体在有机合成中Diels-Alder反应是生成结构复杂的化合物的典型方法之一，合成复杂的大分子是这个世纪合成化学家热点研究的话题，并且是具有挑战的项目[1]。Diels-Alder反应在合成我们理想中具有立体选择性的结构复杂多环化合物方面取得了瞩目的成果。Diels-Alder的理论研究是基于量子化学的理论知识，采用密度泛函的方法，在B3LYP/6-311G（d，p）水平上进行计算研究，提供大量无法用实验方法得到的数据。通过前线轨道、反应能垒和反应热参数的计算，研究他们具体的反应过程，从其机理、类型、影响因素、区位选择性（包括区位，立体活性氢）及立体化学方面进行综合阐述

3、。1Diels-Alder轨道理论1928年，狄尔斯和阿尔德在1，3-丁二烯和顺丁烯二酸酐的研究中，发现共轭双烯与含有双键或叁键化合物相互作用时，生成六员环状化合物，这类反应被称为Diels-Alder反应[3]。由最开始的Diels-Alder反应可以看出，反应由两部分组成，见图1，一部分是提供共轭双烯的化合物，即双烯体，另一部分是提供不饱和键的化学物，即亲双烯体。证明，1，3-丁二烯和乙烯的反应是一个简单而典型的轨道控制Diels-Alder反应，最初用前线轨道原理，见图2，这是旧键断裂同时新键形成的协同反应，如图可知，最初是由对称性匹配来解释的。经过几年的研究，2007年，陈鸿章，王

4、文峰等[5]对Diels-Alder典型的[4+2]型的环加成反应轨道理论提出了新的见解（图3）。用量子化学的计算方法对丁二烯和乙烯反应的反应物、产物、过渡态进行了结构优化，并对结构进行了IRC的验证，根据三轨道作用法重点讨论了反应物轨道演变成产物轨道的过程，根据三轨道原理，使体系能量降低，在描述反应轨道作用时，轨道对称性守恒原理比前线轨道理论准确，此文献提出轨道对称性守恒原理对其进行解释，并考虑了价电子轨道，尤其是对反应物生成产物轨道演变的详细过程做了详细的介绍，是研究Diels-Alder机理的一大突破点。2催化剂参与反应的机理在药物、天然化合物、萜类化合物的合成中Diels-Alde

5、r反应得到了广泛应用，对于Diels-Alder反应中催化剂的应用研究也十分深入，主要使用的催化剂多为路易斯酸和布鲁斯酸，比如，金属氯化物（AlCl3），碘化物，三氟甲磺酸盐，烷基金属化合物，BH3，三氟化硼的乙醚溶液，二氟化芳基硼等。IkushimaY，SaitoN等[7]1991年在异戊二烯和顺丁烯二酸酐的反应中应用AlCl3作为催化剂在超临界CO2的环境中，用FTIR进行了C＝C，C＝O的振动趋势追踪研究，对产物NMR测量显示，只有产物P生成，提出在超临界CO2介质中通过数据显示，机理可能分为如下两步，有中间体（A）的存在，过程如图4，提出了[2+4]环加成过程中可能的反应机理，其中

6、超临界CO2的存在对反应也有一定的影响，但并没有提出确定的结论。自2000年以来，在Diels-Alder反应中催化剂噁唑硼烷广泛应用于合成倍半萜类化合物和大分子的药物中间体中，见图5。这种手性催化剂对产物的立体结构和区位活性点起着选择性的作用，在手性硼烷的催化作用下，一系列α，β不饱和羰基化合物（不饱和的醛，酮，酯，醌，羧酸）与1，3-丁二烯，或戊二烯反应生成环己烯类化合物，得到的对映体产率量大于90%。2006年，皮宗新和李淑华[8]对戊二烯和二甲基丙烯醛进行了DFT计算，提出了催化剂参与反应的过程，并运用可极化连续反应场模型算出了各种参数，但是具有一定的局限性。2009年，Micha

7、el[9]用分子模拟计算了催化剂参与的反应过程，用密度泛函计算对噁唑硼烷催化的四种产物的内型、外型、顺式、反式进行了模拟研究，提出了催化剂参与反应的最合理过程。手性噁唑硼烷催化剂具有扭曲的椅式构型，N的电负性低[10]，使得B原子所带的正电荷增加，反应中α，β不饱和羰基化合物（不饱和的醛、酮、酯、醌、羧酸）中的C＝O键和催化剂B原子相互作用形成B…O，催化剂中由于苯环的存在带来空间位阻，使得羰基不饱和物中的氢与O－B…O