QM魔法小课堂2—亲电反应中HOMO计算的应用

芳香亲电取代是向芳香环系引入官能团的重要方法。

图一. 不同苯环衍生物上亲电取代反应发生的位点

你一般都是用什么方法预测各类底物的亲电取代产物呢？

分析电子效应，空间效应，画共振式，还是计算分速度系数？

对于结构相对简单的分子，你可能还挺胸有成竹的。那么复杂一些，含多种取代基的杂环系统呢？

来，这次我们以最常见的卤代反应为例：

如图二所示，底物A中，卤素更容易上在含氯的哒嗪环还是含甲基的吡唑环上？再看底物B，是稠环，卤代反应又会发生在哪里？底物C，这次倒是可以肯定，卤代反应一定是在咪唑上，那主产物在2位还是3位呢？

图二. 复杂芳香杂环上可能发生卤化反应的位点

本次QM小课堂给你一些新思路！

在第一节小课堂中，我们提到了前线轨道理论。这里我们再复习一下基本概念。

这么一想总算有了点头绪，有QM魔法棒那还不容易吗？大手一挥，先把三个底物的HOMO算出来。

图三. 底物A、B、C 的HOMO示意图

(每张HOMO示意图中，左侧为该分子的轨道能级图，红色标注的为HOMO能级；右侧为HOMO能级下的轨道示意图)

如图三的HOMO示意图可见，底物A中，哒嗪上只有C5’位有HOMO lobe覆盖，并且明显小于C4位上的HOMO lobe，因此可以预判主要得到吡唑环上的卤代产物。底物B中，苯环上的HOMO lobes明显小于稠环上的两个位点，其中C3位上的HOMO lobe有着绝对优势，可以预判得到C3位取代的主产物。

除了HOMO，我们还可以计算碳原子的核磁共振图谱，两者结合给出进一步判断。

图四. I：底物C的HOMO、碳谱化学位移值结合图 II：计算所得碳谱图 III：底物C的氯代反应

怎样玩转魔法棒，就看你的喽！

本期结束，我们也有一个小问题供大家课后思考：

在对芳香底物D的溴代反应进行位点预测时，应用我们刚刚学会的思路，首先查看底物的HOMO示意图，可以发现C5位基本没有HOMO lobe，故先排除C5位发生卤代的可能性。C6与C7位的HOMO lobes都很明显；再看¹³C NMR，C6（117.8 ppm）与C7（120.8 ppm）的化学位移值也很相近；同时，该如何衡量C8位甲基的空间位阻效应呢？反应会发生在哪里呢？

参考文献：

[1] Warren J. Hehre (2003).A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations. Irvine, CA, USA: Wavefunction, Inc.

[2] F.A. Carey & R.J. Sundberg(2007). Advanced Organic Chemistry Part A: Structure and Mechanisms. NewYork, NY, USA: Springer Science+Business Media, LLC. Pg. 771-779

[3] M. Kruszyk, M. Jessing, J.L.Kristensen, M. Jorgensen, J. Org.Chem. 2016, 81, 5128