LUMO+1 能级与轨道
先介绍一下今天的主角之一：LUMO+1。
让我们通过对上述反应的预测与解析，来回答这个问题。
首先我们来回溯一下第一章的分析过程。
图1.不同取代基化合物A的LUMO和LUMO+1
当C5位的取代基变成三氟甲基时，LUMO轨道的分布较之前的三种取代基发生了明显变化。其中LUMO lobe延伸到了C2上，表明 C2也开始有参与亲核反应的可能性。这个底物还有两个独特之处：首先，LUMO与LUMO+1能级的能量差很接近，需要进一步参考LUMO+1能级——我们可以看见在该能级下C2上亦有明显的lobe覆盖；其次，三氟甲基和进攻C4位的亲核试剂存在空间位阻效应。因此我们推测5-CF3的化合物A会丧失亲核取代的选择性，同时获得C2和C4位的取代产物。
利用LUMO推测得出合理的反应机理
根据LUMO分子轨道的分布，我们可以判断亲核反应优先发生的位点，以此为依托，还能进一步推测出更合理的反应机理。
图2.化合物B的氨基化反应：生成苯炔类似物中间体
熟悉有机化学的你会不会有一种不合理的感觉？一个氨基负离子进攻一个含有负离子的活性中间体？那么，是否能有更加合理的机理解释这个反应呢？以下，让我们借助量子化学计算，尝试寻找一个更合理的解释。
这一案例同样是一个亲核反应，让我们先看一下底物本身的LUMO和LUMO map：
图3.化合物B的LUMO和LUMO map
我们可以很清晰地看到，化合物B的LUMO lobe只覆盖了C4和C6位，和溴原子相连的C5上并不存在LUMO lobe。而LUMO map告诉我们，C6位LUMO lobe更易接近，被亲核进攻的概率更大。因此，氨基负离子容易加成在化合物B的C6位上。基于此，我们可以提出一个更合理的反应机理：生成氨基负离子中间体、离去溴化氢得到最终产物，如图4所示:
图4.化合物B的氨基化反应，生成氨基负离子中间体
总结一下，对于较为复杂的亲核取代反应的底物，我们可以优先通过QM计算考虑底物的LUMO lobe分布。当LUMO+1能量与LUMO接近时，需要同时考察LUMO+1 lobe。同时，综合考虑底物的空间效应，参考底物本身的LUMO map，不仅可以帮助我们合理预测反应的发生位置，还可以让我们更准确地理解反应机理。
小试牛刀
本期我们继续留一个案例供大家思考：
大家知道，化合物C和锂化的苯丁酮化合物反应会得到C2位亲核取代的产物D。但McDonald等人在2006年的一篇发表在TetrahedronLetters上的文献[2]报告了化合物C与锂化二硫缩醛，通过远程取代（tele-substitution）反应，生成了C6位甲酰基取代的2-氯吡嗪化合物E。在此我们给出化合物C的LUMO/LUMO+1和LUMO map/LUMO+1map的图示，聪明的你一定可以推测一下上述实验结果背后的原因！
图5.化合物C的LUMO, LUMO+1能级及相应的LUMO map, LUMO+1 map
参考文献：
[1] J. A. Joule& G. F. Smith (1972). Heterocyclic Chemistry 2nd Edition. Page131.
[2] J. E. Torr,J. M. Large, P. N. Horton, M. B. Hursthouse and E. McDonald. Tetrahedron Lett. 2006, 47, 31-34.
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