蒽和環戊二烯酸酐化合物Diels-Alder反應的理論計算

徐文媛，徐娜娜，唐 靜，杜瑞煥，李 敏，胡 林

（華東交通大學基礎科學學院，江西南昌 330013）

有機化學合成反應中，Diels-Alder反應是重要的碳碳鍵形成手段之一，也是現代有機反應中常見的一種反應，具有適應范圍廣、選擇性高、用途廣泛等特點。自1928年德國化學家奧托·迪爾斯（Otto Paul Hermann Diels）和他的學生庫爾特·阿爾德（Kurt Alder）發現該反應后，它的應用已涉及醫藥、農藥、染料等領域，大大促進了精細化學和高分子化學的發展。隨著D-A反應在各領域取得了令人矚目的成果，其機理的研究也有了一些新的進展［1］。研究發現，內酯產物具有抗腫瘤、抗真菌等生物活性［2］。其表現出的潛在的藥用價值和其它工業價值得到了廣泛的重視和關注。諸多文獻表明，通過研究不同取代基的硬酯性質和烷基化處理，產物的活性能發生改變，這大大降低了合成的難度，從而形成了一種更簡單、更有效率的合成路線［3-4］。本文以蒽和環戊二烯酸酐化合物為代表，對其Diels-Alder反應進行了理論計算，從前線軌道理論、熱力學和動力學三個理論角度分析了反應機理，并為研究蒽衍生物，醛類和苯甲酰氯的Diels-Alder反應拋磚引玉。

1 計算方法

采用Gaussian03程序中的密度泛函（B3LYP16-31G（d，p））理論，對蒽和環戊二烯酸酐化合物Diels-Al?der反應的反應歷程、微觀機理和勢能剖面進行了研究，并采用了前線軌道理論、動力學和熱力學原理對該反應體系進行了解釋。計算在華東交通大學計算實驗室完成。研究體系如圖1所示。反應過程中，蒽（R1）和環戊二烯酸酐化合物（R2）反應經過過渡態（TS），生成產物（P）。

圖1 蒽和環戊二烯酸酐化合物的Diels-Alder反應Fig.1 The Diels-Alder reaction of Anthracene and Cylopentadine Anhydride Compound

2 計算結果和討論

2.1反應機理及過渡態的幾何構型

本實驗應用G03程序中的密度泛函（B3LYP/6-31G（d，p））方法探討了反應歷程和微觀機理，對反應物、產物和過渡態的幾何構型進行了優化，并且在此水平上對反應的振動頻率進行了計算。振動分析計算驗證：過渡態的力矩常數有且僅有一個負本征值，過渡態是真實的。圖2給出了反應體系中過渡態的虛振模式，及關鍵原子的編號（由Gview轉化而來），并且標出了帶箭頭的關鍵原子的電荷。這證明了過渡態是反應物和產物的連接物。

圖2 過渡態的原子編號、電荷及虛振動模式示意圖Fig.2 Atomic number，charges and imaginary vibration mode of transition state

關鍵原子間距沿IRC的變化趨勢如圖3所示，結合圖2中R1+R2→P過程可知：C（32）=C（14），C（19）=C（8）和C（18）=C（7），原有的3個π鍵逐漸拉長形成σ鍵，從反應物時的雙鍵變成產物的單鍵；C（19）和C（14），C（32）和C（18）的距離逐漸縮短，新σ鍵則逐漸形成，2個新鍵的形成基本上是同步的；C（32），C（14），C（19），C（18）由sp2雜化變為sp3雜化；C（7）-C（8）間的鍵長變化不大的原因是蒽的特殊結構（形成的環電子體系，其作為雙烯體有利于反應進行）。此反應是協同過程。

由表1可知，蒽在與環戊二烯酸酐化合物作用時，關鍵原子以平行方式接近，形成產物，基3D結構如圖4所示。

圖3 關鍵原子沿IRC的變化趨勢 Fig.3 Trend of key atom along IRC

圖4 反應物相互作用示意圖Fig.4 Action mode of reactants

由圖2中關鍵原子電荷可知，在反應過程中，由于蒽的C18和C19集聚電子，利于帶正電荷的C32和C14與之作用。C18，C19逐漸接近C14，C32形成平面，最后生成產物。計算所得3D結構與表1中過渡態TS的數據吻合，二者以平行結構接近，從電子效應和空間位阻的角度來看，有利于反應的進行。計算結果與相關文獻中得到的實驗數據一致。

表1 優化所得關鍵原子的參數Tab.1 Parameters of key atoms nm

2.2 反應物分子的前線軌道相互作用分析

從能級角度分析：R1分子的LUMO和HOMO能級分別是0.008 00 eV及-0.010 00 eV，R2分子的LUMO和HOMO能級分別是0.023 00 eV及-0.117 00 eV（B3LYP/6-31G（d，p））。可知：兩個分子中相互作用的HO?MO和LUMO軌道能級接近，能級差較小，分別為0.033 00 eV和0.125 00 eV；當R1的HOMO與R2的LUMO接近時，兩者能極差極小（0.033 00 eV），其軌道對稱性匹配，可以組合成分子軌道；由于R2平行接近R1，則可使軌道最大重迭。以上結論符合前線軌道理論，反應可以進行。

以此為基礎，可以預測蒽的衍生物（烷基化的蒽，含氮原子的蒽等）與環戊二烯酸酐化合物間的D-A反應。烷基化的蒽中烷基取代蒽中的H，那么烷基表現為吸電子的誘導效應［5］，且含氮原子的基團也為吸電子基團。由于誘導效應的影響，取代基將降低LUMO和HOMO軌道的能量，反應過程中形成了強極性的過渡態，使反應更容易進行。這與實驗結果一致［6-12］。

2.3反應的活化能壘和反應熱

利用能量梯度法，在B3LYP/6-31G（d，p）水平上，對所有反應勢能面上可能存在的駐點進行了能量優化。計算所得反應焓變、標準吉布斯自由能變及活化能分別為-71.265 48，-71.266 58和102.961 13 kJ·mol-1。反應是放熱的。標準吉布斯自由能變為負值，說明反應可正向自發進行。蒽及其衍生物在反應中形成環電子體系，有利于環戊二烯酸酐親雙烯體的進攻加成。在這方面，反應物具有結構優勢。雖然蒽及其衍生物的結構龐大，但由于蒽的特殊結構，它將采取平面反應的方式與環戊二烯酸酐化合物作用，反應的活化能較低，說明反應較容易進行。

計算得標準吉布斯自由能變值為-71.26658kJ·mol-1，這表明熱力學與動力學研究結果一致，反應較易進行。

3 結論

采用密度泛函（B3LYP/6-31G（d，p））方法研究了蒽和環戊二烯酸酐化合物合成內酯的反應歷程，得到以下結論：

1）反應中碳碳鍵的生成與斷裂是協同進行的。

2）環戊二烯酸酐化合物以平行接近蒽使軌道最大重迭；反應符合前線軌道理論。

3）反應為放熱的，與實驗結果一致。

4）熱力學與動力學研究結果一致，反應較易進行。

［1］徐文媛，杜瑞煥，龍威.Diels-Alder反應的理論研究新進展［J］.華東交通大學學報，2011，28（3）：60-64.

［2］李華濤，蘇東海，尚濤，等.幾種常用中草藥抗氧化活性研究［J］.天然產物研究與開發，2008，20（6）：974-982.

［3］強偉，李光吉，曹艷霞.含多脂環的環氧光學樹脂的制備及其性能研究［J］.塑料工業，2009，36（4）：9-12.

［4］ DIGANTA SARMA，ANIL KUMAR.Rare earth metal tri fl ates promoted Diels-Alder reactions in ionic liquids［J］.Applied CatalysisA，2008，335（1）：1-6.

［5］楊金瑞，余尚先，顧江楠.甲基取代不同類型碳原子上的氫原子所表現出的誘導效應強度［J］.北京師范大學學報：自然科學版，2006，42（3）：283-286.

［6］ CARLOS A D，SOUSA A，LUíSA M C，et al.Acid-catalyzed aza-Diels-Alder versus 1，3-dipolar cycloadditions of methyl glyoxylate oxime with cyclopentadiene［J］.Tetrahedron Letters，2008，49（40）：5777-5781.

［7］ YUHYA WATANABE，TOHRU SAKAKIBARA.Synthesis of methyl 4，6-O-benzylidene-2，3-dideoxy-5-thio-b-DL-threohex-2-enopyranoside via hetero-Diels-Alder reaction and unusual stabilities of 1，5-anhydro-4，6-O-benzylidene 2，3-dideoxy-5-thio-DL-threo-hex-2-enitol［J］.Tetrahedron，2009，65（3）：599-606.

［8］KIYOSEI TAKASU，NAOYA SHINDOH，HIDETOSHI TOKUYAMA，et al.Catalytic imino Diels-Alder reaction by tri fl ic imide and its application to one-pot synthesis from three components［J］.Tetrahedron，2006，62（51）：11900-11907.

［9］ FIROUZ MATLOUBI MOGHADDAMA，MOSTAFA KIAMEHR，MOHAMMAD REZA KHODABAKHSHI，et al.A new domino Knoevenagel-hetero-Dielse-Alder reaction：an ef fi cient catalyst-free synthesis of novel thiochromone-annulated thiopyranocoum-arin derivatives in aqueous medium［J］.Tetrahedron，2010，66（45）：8615-8622.

［10］MASASHI NAKAMURA，ISAO TAKAHASHI，SHUNSUKE YAMADA，et al.Intramolecular Diels-Alder reaction of N-allyl 2-furoyl amides：effect of steric strain and amide rotational isomerism［J］.Tetrahedron Letters，2011，52（1）：53-55.

［11］VADIM M TIMOSHENKO，SERGIYASIRY，ALEXANDER B ROZHENKO，et al.Asymmetric induction in thia-Diels-Alder reaction of chiral poly fluoroalkylthionocarboxy lates［J］.Journal of Fluorine Chemistry，2010，41（24）：172-183.

［12］ SIMON JONES，IAN WILSON.Synthesis of substituted 3-furan-2（5H）-ones via an anthracene Diels-Alder sequence［J］.Tetrahedron Letters，2006，47（26）：4377-4380.