Diels-Alder狄更斯-阿尔德反应完整分析

DielsAlder一.機理這是一個一步完成的協同反應。沒有中間體存在，只有過渡態。一般條件下是雙烯的最高含電子軌道（HOMO）與親雙烯體的最低空軌道（LUMO）相互作用成鍵。由於是不涉及離子的協同反應，故普通的酸鹼對反應沒有影響。但是路易斯酸可以通過絡合作用影響最低空軌道的能級，所以能催化該反應。二.立體化學狄耳士-阿德爾反應有如下規律：1、區域選擇性：1.1.If at least one of the Diels-Alder reagents is symmetrically substituted, there is only one possible product 1.2.Asymmetry in both the diene and dienophile generates two products that are constitutional isomers當有二種產物,到底是鄰位/間位/對位?要視親雙烯體上正電荷之碳優先和雙烯體上之負電荷的碳,鍵結為單鍵,經多次實驗後,多以鄰位為主,或對位為主反應產物往往以假鄰對位產物為主。即若把六元環產物比作苯環，那麼環上官能團（假設有兩個官能團）之間的相互位置以鄰位(如1)，或者對位為主（如3）。2、立體選擇性：反應產物以內型(即5)為主，即反應主產物是經過內型過渡態得到的。3、立體專一性：加熱條件下反應產物以順旋產物為唯一產物；光照條件下以對旋產物為唯一產物。比如以下兩個熱反應中，產物7、8的相對立體構型都是唯一的，兩個烯烴原料原有的官能團A,B,C,D的順反立體化學關係都在產物中得到忠實地翻譯。三.在談 Diels-Alder 反應時，為什麼 dienophile 上有 electron withdrawing group 會有利於其反應？Ans:要解釋以上的問題需要較深的理論，讓我先用1,4-丁二烯與乙烯的反應為例來說明，你估妄看之。首先我們要瞭解1,4-丁二烯的 p 系統有四個 MO (由每一個碳所提供的 p 軌域組成) 如下圖所示；乙烯的 p 系統則有兩個MO。一個較簡單的理論是這個反應只要考慮前沿分子軌域 (frontier molecular orbitals) 之間的作用，所謂前沿分子軌域就是指最高佔有電子軌域(highest occupied molecular orbital 簡稱 HOMO)，以及最低未佔有電子軌域(lowest unoccupied molecular orbital 簡稱 LUMO)，此處的高低是針對能量而言。由於HOMO是填滿電子的，也就是多電子的，而LUMO卻是缺乏電子的，剛好是一對，所以反應時是一者的HOMO與另一者的LUMO作用。那麼1,4-丁二烯與乙烯的反應有兩種可能，一個是使用1,4-丁二烯的LUMO與乙烯的HOMO搭配，另一則是使用1,4-丁二烯的HOMO與乙烯的LUMO。二者的 p 軌域末端相互重疊(overlap)形成兩個 s 鍵結，從軌域的相位(phase)來看，也是以 HOMO-LUMO 相互作用時都是同相的為最佳狀況，假若是 HOMO-HOMO 或 LUMO-LUMO 的作用，你會發現其作用的兩個端點的軌域之相位是一邊相同而另一邊相反的，這是不好的。接下來的問題是，到底是那一組 HOMO-LUMO 較好呢？這就要決定於那一組的能階差異較少，以前普化時就教過，兩個軌域的能階差異越小，相互作用得到的穩定度就越高。事實是通常雙烯 (diene) 的 HOMO 與親雙烯 (dienophile) 的 LUMO 能階差異較小，因此是由這一組前沿分子軌域作用在主導反應。更進一步來看，歸納而言概略上當 p 系統上具有推電子的官能基時，會使得 HOMO 與 LUMO 的能階提昇；反之，當 p 系統上具有拉電子的官能基時，會使得 HOMO 與 LUMO 的能階降低。前面說到 Diels-Alder 反應是雙烯的 HOMO 與親雙烯的 LUMO 作用，因此當雙烯上有推電子的取代基時，其 HOMO 能階會提昇，而親雙烯上有拉電子的取代基時，其 LUMO 能階會降低，從下圖你就會發現這會減少 HOMO (diene) 與 LUMO (dienophile) 的能階差異，反應就會變佳。這就是為什麼 Diels-Alder 反應以多電子的雙烯與缺電子的親雙烯反應為較好的組合。四.Diels-Alder 反應會利於 endo form 的形成 ，跟軌域間作用有何關聯性?Ans:讓我用1,4-丁二烯與 methyl vinyl ketone 反應的 endo approach 為例說明之。如下圖所示之 HOMO-LUMO 作用的軌域相位來看，在我所標示的軌域處，endo 位向的羰基的碳上之軌域與 1,4-丁二烯的 C2 位置之軌域會有一個相位相同的作用力存在，但是要注意反應中這兩個碳之間並沒有生成一個鍵結，因此我們稱這種降低能量的作用力為 secondary or