环加成反应

环加成反应通过一个协同步骤将两个π体系结合成一个环，其中Diels–Alder [4+2]反应是有机合成中最强大的成环反应。

Definition

环加成反应是一种周环反应，其中两个或多个不饱和分子结合形成一个环状加合物，π键数量净减少，并形成新的σ键。

Scope

本主题涵盖Diels–Alder反应及其区域选择性和立体化学、二烯和亲二烯体电子效应的作用、内型规则、1,3-偶极环加成反应、[2+2]光化学环加成反应以及环加成可行性的前线轨道基础。

Core questions

• 为什么热Diels–Alder [4+2]反应是允许的，而热[2+2]反应是禁止的？
• 什么控制着Diels–Alder反应的区域选择性和内/外型立体化学？
• 电子需求和取代基效应如何加速环加成反应？

Key theories

Diels–Alder [4+2]环加成反应

二烯和亲二烯体通过协同的、立体专一的[4+2]同面反应结合，形成一个环己烯，一步构建两个σ键和最多四个手性中心。

环加成反应的前线轨道控制

环加成反应的速率和取向取决于二烯的HOMO与亲二烯体的LUMO（或反之）的重叠，这解释了电子加速和区域选择性。

Mechanisms

Diels–Alder反应通过一个单一的芳香族样过渡态进行，其中二烯必须采取s-顺式构象；同面-同面加成使其具有立体专一性，保留了两个反应物的几何构型。次级轨道相互作用有利于内型过渡态。1,3-偶极环加成反应遵循类似的[4+2]型机理，使用偶极子和亲偶极体。

Clinical relevance

环加成反应构建了广泛存在于天然产物和药物中的六元环和多环骨架；铜催化的叠氮化物-炔烃版本（点击化学）已成为生物偶联和药物发现的关键工具。

History

Diels和Alder于1928年报道了以他们名字命名的反应，这项工作获得了1950年诺贝尔化学奖；Huisgen后来系统化了1,3-偶极环加成反应，将这一概念扩展到广泛的杂环合成。

Key figures

• Otto Diels
• Kurt Alder
• Rolf Huisgen

Seminal works

• dielsalder1928
• careysundberg2007a

Frequently asked questions

什么是内型规则？

内型规则指出，Diels–Alder反应通常倾向于内型过渡态，其中亲二烯体的取代基藏于二烯下方；次级轨道相互作用稳定了这种排列，使内型产物成为动力学优势产物。

为什么二烯必须是s-顺式构象？

只有在s-顺式构象中，二烯的两端才能与亲二烯体的两端接触，形成新的环；锁定为s-反式的二烯不能发生Diels–Alder反应。