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QM有机化学课堂

量子力学有机化学2022年第二期试题解析

QM小课堂 | 第四十七章

普志发、王秋月、任海陇、刘文锋、赖光华、卫小文

考试规则

1）开卷考试，可参考QM SOP及电子书^{[1, 2]}，但不可使用Reaxys文献检索。

2）要求参赛者在2小时内完成计算4个试题，并提交PPT+分析解说+ Spartan计算文件。

3）评分细则：每道题目25分，共100分。PPT+分析解说（20分），Spartan档案（5分）。

问题1：

上述 Chan-Lam 反应会形成单一产物，是II还是III？计算什么QM参数进行分析？

答案（普志发）：

对于Chan-Lam反应，我们首先考察底物更容易去质子化的反应位点，再通过考察负离子中间体的HOMO预测产物生成情况。通过底物静电势图（Electrostatic Potential Map, ESP map）可知N1位酸性更强 (ESP at N1: 250.6 >> N3: 236.1 kJ/mol) 更容易去质子化生成对应的负离子中间体。

图1. Chan-Lam反应位置选择性: 第1步考察ESP

随后，我们考察负离子中间体的HOMO，从计算结果可知HOMO lobe在N1位大于N3位，故化合物I的Chan-Lam反应优先发生在1位生成单一产物III。

图2. Chan-Lam反应位置选择性: 第2步考察负离子中间体的HOMO

问题2：

上述Sonogashira反应会形成单一产物，是II, III还是IV？计算分析时需要哪些QM 参数？

答案（王秋月）：

Sonogashira 反应同其他常规金属催化耦联反应，第一步氧化加成为限速步，可作为预测反应发生位点的重要标准。通过考察底物LUMO 及LUMO Map从计算结果可知，底物I有且只在4位C-Cl的碳有明显的LUMO lobe，同时LUMO及LUMO+1轨道能极差比较大，无需考虑LUMO+1 lobe分布情况。此外，IR作为另一个参考标准，伸缩振动值偏小的碳卤键更易发生反应，从计算结果可知C2-Cl为1242 cm^-1，C4-Cl为825 cm^-1，C6-Br为1048 cm^-1，C4-Cl动值值最小。两种方法均预测该反应会生成单一产物III。

图3. 底物I的LUMO, LUMO Map 及IR计算示意图

问题3：

上述 bromide-magnesium exchange reaction反应会形成单一产物，是II还是III？计算分析时需要哪些QM 参数？

答案（任海陇）：

对于多卤代底物，我们通常会来比较LUMO Lobe的分布，LUMO Map的浓度或者通过红外计算碳卤键的伸缩振动频率，进而来判断底物中不同卤素在S_NAr或者偶联反应中的选择性。然而对于卤锂交换或者卤镁交换反应而言，考察一种特殊的“珍珠串”型的LUMO+n Lobe是更为合适和准确的判断方法。

图4. 底物I的LUMO（左）, LUMO+1（右）计算示意图

从图3可知，底物I在LUMO+1轨道能级，顺着两个C-Br键都有着明显的“珍珠串”型Lobes分布。再结合Electron Density Map由图4可观察到下面的C7-Br Lobes更大，且更突出于Electron Density Map表面，更方便被金属的HOMO进攻，故该C-Br会优先反应，选择性的生成产物II。