基于HMO方法、FMO理论和DFT计算理解Diels-Alder反应的立体专一性、区域选择性和立体选择性

引用本文: 李唯加, 柳凯, 王一翔, 张志君, 杨一莹, 张冬菊. 基于HMO方法、FMO理论和DFT计算理解Diels-Alder反应的立体专一性、区域选择性和立体选择性[J]. 大学化学, 2023, 38(11): 249-255. doi: 10.3866/PKU.DXHX202303035 shu

Citation: Weijia Li, Kai Liu, Yixiang Wang, Zhijun Zhang, Yiying Yang, Dongju Zhang. Exploring Stereospecificity, Regioselectivity, and Stereoselectivity in Diels-Alder Reactions: Insights from HMO Method, FMO Theory, and DFT Calculations[J]. University Chemistry, 2023, 38(11): 249-255. doi: 10.3866/PKU.DXHX202303035 shu

基于HMO方法、FMO理论和DFT计算理解Diels-Alder反应的立体专一性、区域选择性和立体选择性

山东大学化学与化工学院, 济南 250100

通讯作者: 杨一莹,Email:yiyingyang@sdu.edu.cn; 张冬菊,Email:zhangdj@sdu.edu.cn

基金项目:
国家自然科学基金（22273051，22003032）；山东省高等教育本科教学改革研究项目（Z2022169）；山东省自然科学基金青年基金项目（ZR2020QB077）；山东大学教育教学改革研究项目（2022Y072）

摘要: Diels-Alder （D-A）反应是基础有机化学的重要教学内容，也是结构化学中运用物质结构基本原理予以分析处理的典型化学反应。本文基于休克尔分子轨道（HMO）方法、前线分子轨道（FMO）理论和量子化学计算研究了1-甲氧基-1，3-丁二烯和丙烯醛的Diels-Alder反应，给出了理解反应立体专一性、区域选择性和立体选择性的定量信息和直观物理图像。研究结果有助于加深学生对D-A反应特点和规律的认识、培养学生对计算化学的兴趣、提高学生分析问题和解决问题的能力。

关键词:

English

Exploring Stereospecificity, Regioselectivity, and Stereoselectivity in Diels-Alder Reactions: Insights from HMO Method, FMO Theory, and DFT Calculations

School of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China

Corresponding author: Yiying Yang, ; Dongju Zhang,

Received Date: 09 March 2023

Abstract: The Diels Alder (D-A) reaction represents a crucial component of fundamental organic chemistry education and serves as a quintessential example of structural chemistry analyzed via basic principles of chemical sciences. This study explores the Diels-Alder reaction involving 1-methoxy-1,3-butadiene and acrolein, utilizing tools such as the Hückel molecular orbital (HMO) method, frontier molecular orbital (FMO) theory, and quantum chemical calculations. This approach provides detailed quantitative data and intuitive visual illustrations to elucidate the stereospecificity, regioselectivity, and stereoselectivity inherent to this reaction. The findings from this study serve as valuable resources for students, not only enhancing their understanding of D-A reaction properties and principles, but also developing their interest in computational chemistry and augmenting their problem-solving acumen.

Key words:

1. [1]
  Diels, O.; Alder, K. Justus Liebigs Ann. Chem. 1928, 460, 98.Diels, O.; Alder, K. Justus Liebigs Ann. Chem. 1928, 460, 98.
2. [2]
  Diels, O.; Alder, K. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1929, 62, 2081.Diels, O.; Alder, K. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1929, 62, 2081.
3. [3]
  Diels, O.; Alder, K. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1929, 62, 2087.Diels, O.; Alder, K. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1929, 62, 2087.
4. [4]
  邢其毅, 裴伟伟, 徐瑞秋, 裴坚. 基础有机化学. 第4版. 北京:北京大学出版社, 2016:433.
5. [5]
  叶向阳, 郭奇珍. 大学化学, 1993, 8 (1), 22.
6. [6]
  袁耀锋, 王文峰. 大学化学, 2016, 31 (1), 68.
7. [7]
  周公度, 段连运. 结构化学基础. 第5版. 北京:北京大学出版社, 2017:176.
8. [8]
  李炳瑞. 结构化学. 第2版. 北京:高等教育出版社, 2011:268.
9. [9]
  孙宏伟. 结构化学. 北京:高等教育出版社, 2016:152.
10. [10]
  郭用猷, 张冬菊, 刘艳华. 物质结构基本原理. 第3版. 北京:高等教育出版社, 2015:103.
11. [11]
  Fukui, K. Acc. Chem. Res. 1971, 4, 57.Fukui, K. Acc. Chem. Res. 1971, 4, 57.
12. [12]
  Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787.Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787.
13. [13]
  Huzinaga, S. Comput. Phys. Rep. 1985, 2, 281.Huzinaga, S. Comput. Phys. Rep. 1985, 2, 281.
14. [14]
  Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Barone, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669.Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Barone, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669.
15. [15]
  Ieritano, C.; Montgomery, C. A.; Goll, J. M.; Chan, H. Y. J. Chem. Educ. 2021, 98, 577.Ieritano, C.; Montgomery, C. A.; Goll, J. M.; Chan, H. Y. J. Chem. Educ. 2021, 98, 577.
16. [16]
  Curtiss, L. A.; Raghavachari, K.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1293.Curtiss, L. A.; Raghavachari, K.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1293.
17. [17]
  Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; et al. Gaussian 16, Revision A. 03; Gaussian, Inc.:Wallingford, CT, USA, 2016.Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; et al. Gaussian 16, Revision A. 03; Gaussian, Inc.:Wallingford, CT, USA, 2016.
18. [18]
  Lu, T.; Chen, Q. Chemistry-Methods 2020, 1, 231.Lu, T.; Chen, Q. Chemistry-Methods 2020, 1, 231.
19. [19]
  Lu, T.; Chen, Q. J. Comput. Chem. 2022, 43, 539.Lu, T.; Chen, Q. J. Comput. Chem. 2022, 43, 539.

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 12
文章访问数: 2725
HTML全文浏览量: 484

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

基于HMO方法、FMO理论和DFT计算理解Diels-Alder反应的立体专一性、区域选择性和立体选择性

通讯作者: 杨一莹,Email:yiyingyang@sdu.edu.cn; 张冬菊,Email:zhangdj@sdu.edu.cn

English

Exploring Stereospecificity, Regioselectivity, and Stereoselectivity in Diels-Alder Reactions: Insights from HMO Method, FMO Theory, and DFT Calculations

Corresponding author: Yiying Yang, ; Dongju Zhang,

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

基于HMO方法、FMO理论和DFT计算理解Diels-Alder反应的立体专一性、区域选择性和立体选择性

通讯作者: 杨一莹,Email:yiyingyang@sdu.edu.cn; 张冬菊,Email:zhangdj@sdu.edu.cn

English

Exploring Stereospecificity, Regioselectivity, and Stereoselectivity in Diels-Alder Reactions: Insights from HMO Method, FMO Theory, and DFT Calculations

Corresponding author: Yiying Yang, ; Dongju Zhang,

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南： 你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs