为什么Endo vs Exo产品在Diels-Alder反应中更受青睐?

[高级]二级轨道相互作用-为什么的基本原理Endo产物在Diels-Alder反应中受到青睐

在上一篇文章中，我们注意到endo产品往往更受青睐挂式Diels-Alder反应中的产物。我们还引入了一个快速和肮脏的规则来区分两者endo -和外Diels-Alder的产品。

所以为什么是endo受欢迎的产品挂式在Diels-Alder反应中?这就是我们今天要学习的内容。

目录

1. Endo产品倾向于偏爱Diels-Alder，即使他们是更多的立体阻碍
2. 的Endo和挂式环戊二烯与马来酸酐Diels-Alder反应的过渡态
3. 另一双Endo和挂式Diels-Alder过渡态表明Endo过渡态将EWG置于双烯亲体之上
4. 二次轨道相互作用在Endo过渡态下是可能的(但不是Exo)
5. Diels Alder反应的动力学和热力学控制
6. 笔记
7. (高级)参考资料和进一步阅读

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1.Endo产品在Diels-Alder中更受青睐，即使它们受到更多的立体阻碍

偏好endo与挂式特别好奇自从endo产品似乎受到更多的立体阻碍。

例如，这是环戊二烯和马来酸酐的Diels-Alder反应。的比例endo来挂式这个反应的生成物大约是四比一:

注意，在endo在上面的产物中，酸酐在新六元环的下面，而在挂式，它指向别处。这确实受到了较小的空间阻碍。

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[跳过前面，这里有一个事实，我们将更详细地讨论下一篇:大多数exo产品是实际上由于空间位阻的原因它比内聚物更稳定，但是内聚物形成得更快。此外，给予足够的热量，Diels-Alder产物可以恢复到起始材料。长话短说:Diels-Alder是另一个可以承受的反应的例子动力学或热力学控制，在哪里" endo "是动力学积" exo "是热力学积。]

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2.的Endo和挂式环戊二烯与马来酸酐Diels-Alder反应的过渡态

那么为什么endo通常青睐?

这里有一个尝试解释，使用“二次轨道效应”[注1]。另一个相关的解释在脚注中。［注2]。

我们上一篇文章展示了Diels-Alder反应的机理通过二烯的最高已占据分子轨道(HOMO)和二烯试剂的最低未占据分子轨道(LUMO)的轨道相互作用。

当轨道间的相互作用在两个不同的过渡态中被画出来时，我们会看到这样的东西。

注意，在endo过渡态，吸电子基团指向最终组成C的两个碳₂- c_3.烯烃，而在挂式过渡态，吸电子基团指向走了从C₂- c_3.烯烃：

3.另一双Endo和挂式Diels-Alder过渡态表明Endo过渡态将EWG置于双烯亲体之上

这是另一个关于(E, E)2,4-己二烯和丙烯醛。再次注意结束o过渡态的吸电子基团位于二烯上:

• 在endo过渡态，碳变成了碳₂- c_3.双键位于正下方羰基二烯试剂的碳。
• 在挂式过渡态时，吸电子基团指向远离C的方向₂- c_3.碳原子。

4.二次轨道相互作用在Endo过渡态下是可能的(但不是Exo)

那又怎样?

就其本身而言，这似乎并不能解释为什么endo过渡态可能更受欢迎。

如果我们仅仅局限于研究“初级”分子轨道——即参与成键的分子轨道。

关键的区别在于，当我们扩展视野，观察二烯和二烯试剂的“二级”分子轨道时，它们不直接参与键的形成，但仍可能相互作用。

在这个观点中，有一些关于endo的过渡态中没有挂式。

因为C₂- c_3.二烯HOMO的轨道靠近二烯试剂LUMO的C=O轨道，它们可以相互作用。这是不可能的挂式过渡态。

这是不成键相互作用(这将是“主轨道相互作用”)，但它是稳定交互。我们称之为二次轨道相互作用。我们还没有写过超共轭现象，但你可以把它们的相互作用看作是相似的。本质上，它是一个已占轨道和一个未占轨道之间的相互作用，形成一个非常弱的“部分键”，整体的相互作用是稳定的]。

这种相互作用稳定endo过渡态达到一定程度，可以补偿稍大的空间位阻。

这是这些轨道的样子:

真的是这样。如果你知道如何画出二烯的完整HOMO和二烯亲水性试剂的完整LUMO，那么你就可以画出它们如何相互作用。我们描述如何在这篇文章中画出PI分子轨道]。

我们在尾注中画出了这个反应的分子轨道。

5.Diels Alder反应的动力学和热力学控制

如上所述，endo生成物往往是“动能”生成物，即形成最快的生成物。在较低温度下的典型反应条件下，产物分布反映了两种反应的能量差挂式和endo过渡态，和生成物之间的能量差不一定是一回事!

如果充分加热，Diels-Alder产物可以恢复到起始材料，并且可以建立反应物和产物之间的平衡。在这些条件下，产物的分布将反映出外部和内部之间的能量差异产品(这往往有利于挂式. ）

我们将在未来的帖子中更详细地讨论Diels-Alder(和动力学vs.热力学控制)的可逆性。

下篇文章:Diels-Alder反应的动力学和热力学控制

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笔记

公平地说，有一些争论二次轨道效应是否真的存在。

注1。二次轨道相互作用的分子轨道图

这是另一种看待偏好的方式endo在挂式，其中包含了相同类型的交互。二级轨道的相互作用用红色虚线标记，在左下方。

在endo过渡态，我们可以得到二烯HOMO上的电子的电子密度转移到二烯试剂LUMO的空C=O π *轨道上。这是不可能的挂式过渡态。

从分子轨道的角度，我们可以在左边的二烯HOMO上画出一对电子，在右边的C=O LUMO上画出一对电子。

任何时候，一个已占轨道向一个未占轨道的能量都会降低。

如果处于过渡态的两个轨道相互作用，我们可以想象电子的能量会轻微降低(同时LUMO的能量也会相应提高)。

这种能量的轻微降低导致了对endo过渡态。

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Lewis酸催化作用增强endo：挂式选择性

这是这个想法的延伸。众所周知，路易斯酸(如ZnCl₂, TiCl₄, SnCl₄等)可以加速Diels-Alder反应的速率。它还可以增加远藤:exo选择性!

例如，比较这个反应中非路易斯酸催化的比率和路易斯酸催化的比率。［参考]

当路易斯酸与化学键配合时，C=O键的LUMO键降低了羰基。

的原因我们不会解释，轨道之间的相互作用加强，因为它们在能量上变得更接近。因此增强了二次轨道相互作用，获得了较大的稳定能量endo过渡态。

对于这个网站来说，这可能太多了，但你可以这样做。

要了解更多信息，我强烈建议你去哈佛大学找戴夫·埃文斯的化学206笔记，如果你能找到的话。他们是优秀的。

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(高级)参考资料和进一步阅读

Diels-Alder反应的一个重要立体化学特征是由阿尔德远藤规则。这是基于经验观察，如果有两个同分异构体的产物是可能的，有一个(或多个)不饱和取代基在烯烃面向新形成的环己烯双键是首选产物。这两个可选的过渡态被称为endo和挂式过渡状态。

1. Untersuchungen über den Verlauf der Diensynthese
   库尔特·阿尔德，格哈德·斯坦
   Angew。化学。1937，50(28), 510 - 519
   DOI：10.1002 / ange.19370502804
   阿尔德的第一篇论文描述了现在被称为阿尔德远藤规则的东西。在对反应物进行“三明治式”预定向后，以这样一种方式加入双亲试剂，使双键在过渡态中达到“最大浓度”;根据Alder和Stein的说法，这不仅包括直接参与反应的p系统，还包括那些“激活配体”。
2. 氯化铝加速狄尔斯-桤木反应
   彼得·耶茨和菲利普·伊顿
   美国化学学会杂志196082(16), 4436 - 4437
   DOI：10.1021 / ja01501a085
3. Diels-Alder反应的Lewis酸催化
   k·n·霍克和r·w·施特罗泽
   美国化学学会杂志1973年,95(12), 4094 - 4096
   DOI：10.1021 / ja00793a070
4. Lewis酸催化丁二烯与丙烯醛Diels-Alder反应的过渡结构。选择性的起源
   大卫·m·伯尼和k·n·霍克
   美国化学学会杂志1990年,112(11), 4127 - 4133
   DOI：10.1021 / ja00167a005
   Lewis酸络合作用突出了取代对二烯亲化合物的能量和轨道畸变效应，增强了二烯亲化合物相对于未络合化合物的反应性和选择性。过渡态结构的计算研究很好地模拟了这种效应。K. N. Houk教授(现任职于加州大学洛杉矶分校)因其在计算化学方面的工作而备受赞誉。
5. 二次轨道相互作用真的存在吗?
   José I. García, José A.马约拉尔，路易斯·塞尔瓦泰拉
   化学研究纪要2000年,33(10) 658 - 664
   DOI：10.1021 / ar0000152
6. Diels - Alder反应中endo规则的来源:二次轨道相互作用真的必要吗?
   José伊格纳西奥García, José安东尼奥·马约拉尔和路易斯·塞尔瓦泰拉
   j . Org。化学。2005，1, 85 - 90
   DOI：10.1002 / ejoc.200400424
   对Alder Endo规则提出的一种解释是次级轨道相互作用，关于它们是否真的存在还存在争议。
7. Diels‐Alder反应II:反应机理
   绍尔博士
   Angew。化学。Int。艾德。1967，6(1) 16-33
   DOI：10.1002 / anie.196700161
   尽管这篇综述可能已经有50多年的历史了，但它仍然包含了非常有用的信息，比如刘易斯酸对人体的影响endo:挂式选择性。
8. Diels-Alder反应中的Endo和Exo过渡态
   威廉·c·赫恩登和洛厄尔·h·霍尔
   四面体。1967，8(32), 3095 - 3100
   DOI：10.1016 / s0040 - 4039 (00) 90922 - 5
   对Diels-Alder过渡态的早期理论研究，为Alder Endo规则提供了几何参数。
9. 在Diels-Alder发现实验室中，超越endo规则
   罗纳德·m·杰瑞特，杰米·纽，丽贝卡·赫利和劳拉·吉洛里
   化学教育杂志2001年,78(9), 1262年
   DOI：10.1021 / ed078p1262
   本文来自化学教育杂志展示了如何在本科生进行的简单Diels-Alder反应中观察到Alder Endo规则。
10. 简单α，β-不饱和酮的第一个一般对映选择性催化Diels−Alder反应
    艾伦·b·诺瑟普和大卫·w·c·麦克米伦
    美国化学学会杂志2002 124 (11)，2458-2460
    DOI:10.1021 / ja017641u
    在本文中，d.w.麦克米伦的研究小组研究了乙基之间的环加成乙烯基酮， EtCOCH=CH2，和几个简单的二烯。一般来说，endo选择性不是很高。他们推断，使二亲试剂的电子更贫乏应该提高选择性(以及反应速率和产率)，而这可能是通过转换羰基C=O，生成一个亚胺离子，C=NR2+。他们还推断，它应该是有可能产生亚胺离子结合催化酮用少量的酸和少量的手性胺。这片区域现在被称为organocatalysis在这个领域有大量的工作正在进行。
11. Diels Alder反应
    已故的汉斯·赖希(威斯康星大学麦迪逊分校)有一个关于有机化学的有用信息的网站，包括关于Diels-Alder反应的这一页。