关于[6+4]/[4+2]环加成反应可逆性的计算/实验研究（以 tropone 衍生物为研究对象）

《The Journal of Organic Chemistry》：A Computational/Experimental Investigation into the Reversibility of [6+4]/[4+2] Cycloadditions with Tropone Derivatives

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虽然呋喃-马来酰亚胺Diels-Alder加合物的热可逆性在动态聚合物网络中得到了广泛应用，但呋喃和马来酰亚胺容易发生不可逆的副反应，这激发了我们研究其他动态环加成反应的兴趣。尽管自20世纪60年代中期以来，人们就已经对香豆酮衍生物和二烯的[6+4]周环反应进行了研究，但很少有研究探讨可能影响这些反应正逆方向能量障碍的因素。在这项工作中，我们利用密度泛函理论（DFT）计算和实验分析来研究香豆酮衍生物与二烯之间的环加成反应。我们发现，在M06-2X(D3)/6-31G(d)理论水平下的DFT计算结果与某些香豆酮衍生物与环戊二烯反应的实验得到的ΔG?值相当吻合。同样，计算结果也能合理预测[6+4]加合物和竞争性[4+2]加合物的分布情况，且在高温下[6+4]加合物会转化为更稳定的[4+2]加合物。最后，我们观察到即使是相对稳定的[4+2]加合物也会部分逆转化为起始的香豆酮。由于计算结果与实验动力学和热力学数据的一致性，这项工作强调了未来利用DFT方法设计新的可逆环加成反应的潜力。

**引言**
1928年，Otto Diels和Kurt Alder描述了二烯与电子贫乏的二烯ophile之间的[4+2]环加成反应，这一反应现在通常被称为Diels-Alder（DA）反应（图1A）。如今，这种形成环己烯的周环反应被广泛应用于天然产物合成、(2)聚合物科学以及(3)药物输送系统等领域。(4)重要的是，在Diels和Alder首次发表论文后仅一年，Alder和Stein就注意到醌/环戊二烯DA加合物的不稳定性，它们会经历逆Diels-Alder（rDA）反应，重新生成环戊二烯（CPD）和苯醌（图1B）。rDA反应在动态共价化学领域得到了特别的应用，其中富电子的呋喃衍生物和电子贫乏的马来酰亚胺常用于可再加工有机材料的合成。(6?9)

图1
a. Diels和Alder最初报道的[4+2]环加成反应之一；
b. 首次报道的rDA反应实例，即用醋酸处理醌-CPD加合物时部分再生CPD和氧化的苯醌；
c. 首次报道的香豆酮与CPD之间的[6+4]环加成反应，在沸腾的二甲苯中观察到了逆[6+4]反应。

然而，涉及超过6π电子的所谓高阶环加成反应研究较少。1966年，研究表明香豆酮与CPD的反应仅形成exo-[6+4]环加成加合物（图1C）。(10,11)值得注意的是，Cookson在其初步报告中指出，在沸腾的二甲苯中这种加合物会分解回香豆酮和CPD。自这些早期研究以来，其他人还研究了各种6π系统的环加成反应，包括环庚三烯(12)和香豆酮衍生物(13)与多种二烯的反应(14?18)。[6+4]反应也被用于合成复杂天然产物的核心结构(19)。然而，只有少数报告提到了逆环加成反应的发生。(20,21)

虽然呋喃-马来酰亚胺DA系统在动态聚合物网络中得到广泛应用，但这些系统受到呋喃和马来酰亚胺在高温下的反应性的限制。呋喃容易被氧化(22,23)，马来酰亚胺容易发生均聚(24,25)并参与不可逆的Michael加成(26)，这些因素阻碍了这些系统的可逆性。尽管人们仍然有兴趣发现新的二烯-二烯ophile组合用于动态DA反应，但我们选择研究动态香豆酮-二烯环加成的潜力。

人们对取代基类型、取代模式以及加合物立体化学对马来酰亚胺/酐与呋喃的DA/rDA反应的热力学和动力学的影响给予了相当大的关注。(27?31)类似的分析尚未针对香豆酮衍生物的环加成反应进行。分析这类系统较为复杂，因为需要研究区域选择性和立体选择性，同时还要考虑6π系统不仅能够参与[6+4]环加成，还能参与各种[4+2]和[8+2]环加成，并且加合物之间可能通过Cope和Claisen重排相互转化。(32?34)

在这项研究中，我们采用计算和实验相结合的方法来探索香豆酮衍生物与CPD的无催化剂环加成反应。首先，我们利用密度泛函理论（DFT）计算来探究正逆反应的能量障碍。计算研究特别有信息量且高效，因为高阶系统中存在多种竞争性的周环过程，这些过程仅通过实验分析很难区分。接下来，我们通过实验验证我们的理论发现，并鉴定产物的身份。最后，我们通过1H NMR光谱和差示扫描量热法（DSC）来检验分离出的加合物的可逆性。

**结果与讨论**
DFT计算是在M06-2X(D3)理论水平下使用Gaussian16软件中的6-31G(d)基组进行的。在我们的研究中，我们试图确定可能的环加成产物的过渡态和优化几何结构，以便计算25°C时反应的活化能（ΔG?）和自由能变化（ΔG°），并采用甲苯作为隐式溶剂模型。首先，我们研究了N-马来酰亚胺和2-(甲氧基甲基)呋喃的模型系统的环加成反应，该反应在高温下是可逆的。计算得到的exo-[4+2]加合物的活化障碍比endo-[4+2]加合物低2.0 kcal mol–1（图2a）。同时，exo-[4+2]加合物比endo-[4+2]加合物稳定4.1 kcal mol–1。实验数据显示，对于呋喃和N-甲基马来酰亚胺的DA反应，endo和exo方向的ΔΔG?值分别为?0.3 kcal mol–1和?2.1 kcal mol–1。(27) 由于我们的计算结果与实验数据（误差在±2 kcal mol–1范围内）吻合良好，我们认为所选的理论水平足以计算一系列香豆酮-二烯加合物。

图2
a. N-甲基马来酰亚胺和呋喃醇甲基醚的可逆[4+2]环加成反应，生成exo和endo加合物；
b. 香豆酮与环戊二烯的[6+4]环加成反应以及一种潜在的[4+2]环加成反应，生成exo和endo加合物。粗体显示的三种加合物是用于其他取代香豆酮计算研究的途径。正[4+2]环加成的活化障碍（ΔG?）以及产物与反应物之间的自由能差（ΔG°）以kcal mol–1为单位给出。

我们假设，一个合适的可逆香豆酮与环状二烯之间的环加成反应应具备以下特性：正反应应具有适中的能量障碍（ΔG? < 25 kcal mol–1），以便促进快速交联，并且反应应具有适度的放能性（ΔG°在?1至?10 kcal mol–1之间）。这样可以在室温下实现完全交联，同时在高温下提供足够的逆交联能力。当我们使用呋喃和N-甲基马来酰亚胺DA反应的计算ΔG°值在150°C（动态共价化学网络的标准再处理温度）进行Boltzmann分析时，结果表明只有约1%的交联会断裂。因此，我们希望达到一个平衡状态，即在再处理过程中绝大多数交联保持完整。

基于此，我们着手研究一系列功能化香豆酮衍生物与呋喃或环戊二烯（CPD）的环加成反应。与呋喃和马来酰亚胺的DA反应不同，后者只需要计算endo-和exo-[4+2]加合物，我们预计会有竞争性的exo-和endo-[6+4]反应以及三种潜在的[4+2]反应和涉及羰基π电子的[8+2]反应。幸运的是，之前对未功能化香豆酮(Tr)和CPD的ΔG?和ΔG°值的计算分析表明，只有[6+4]环加成和三种[4+2]环加成途径在动力学和热力学上是有利的(图S1)。(34)虽然endo-[6+4]产物的ΔG?障碍与稳定的[4+2]加合物相似，但由于这种反应的放能性最低，我们预计观察到的endo-[6+4]产物会很少。因此，我们将计算研究限制在图2b中显示的exo-[6+4]和竞争性的exo-及endo-[4+2]环加成反应上。

我们最初选择从单官能化和双官能化的香豆酮（图3）开始计算筛选环加成反应，这些香豆酮可以通过几步从市售的托波酮(OH-Tr)合成（方案1）。这些包括带有甲氧基(OMe-Tr)、氯基(Cl-Tr)、溴基(Br-Tr)和氰基(CN-Tr)的2-取代香豆酮，2,5-二取代的乙酰氧基香豆酮(diOAc-Tr)，以及N-丙基胺香豆酮衍生物(ImTr)。我们认为2-单取代香豆酮可以让我们探究电子给体/受体基团对ΔG?和ΔG°的影响，而酯和亚胺可能作为功能基团，使香豆酮能够融入动态交联聚合物网络。此外，我们还研究了环状二烯CPD和呋喃的反应性。虽然CPD与呋喃的反应已有报道，但呋喃与CPD的反应尚未成功实现。鉴于呋喃常用于rDA反应，且易于商业获取和生物合成，我们认为这些反应在我们的初步计算研究中非常重要。

图3
本研究中研究的香豆酮和二烯的结构。

这些计算结果是在标准温度和压力下的甲苯中，使用M06-2X(D3)理论水平通过DFT得出的，总结在表1中。特别值得注意的是，[6+4]Tr/呋喃环加成的障碍比Tr/CPD环加成高5.5 kcal mol–1。此外，由于该反应也是吸能的（ΔG?为6.3 kcal mol–1），因此预计不会观察到香豆酮与呋喃之间的成功环加成反应。因此，我们没有进一步研究其他取代香豆酮与呋喃的环加成反应。

表1. 香豆酮与环状二烯环加成形成exo-[6+4]、exo-[4+2]和endo-[4+2]加合物的计算ΔG?和ΔG°值
| 香豆酮 | 二烯 | ΔG? | ΔG° | ΔG? | ΔG° | ΔG° | ΔG? | ΔG° | ΔG° | ΔG° | ΔG° | ΔG° | ΔG° |
|-------|-------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|
| Tropone | CPD | 26.6–8.6 | 29.8–12.9 | 29.2–12.2 | 32.1 | 6.3 | 36.6 | 1.0 | 36.3 | 0.5 | 31.1 | 1.6 | 32.2 | 27.0 | 9.3 | 28.6 | 27.0 | 25.4 | 27.8 | 22.9 | 27.7 | 22.1 | 28.6 | 27.6 | 28.6 | 27.7 | 22.1 | 29.0 | 23.8 | 23.5 | 24.7 | 24.8 | 24.7 | 22.9 | 27.6 | 23.8 | 29.0 | 29.0 | 22.1 | 29.0 | 23.5 | 27.8 | 22.9 | 24.7 | 24.8 | 24.7 | 27.6 | 22.3 | 29.0 | 29.0 | 23.8 | 24.7 | 24.8 | 27.6 | 22.9 | 23.5 | 24.7 | 24.8 | 24.7 | 27.6 | 22.3 | 29.0 | 29.0 | 23.8 | 24.7 | 23.5 | 24.8 | 24.7 | 24.7 | 22.9 | 23.7 | 24.7 | 22.1 | 29.0 | 23.8 | 24.7 | 23.5 | 24.8 | 24.7 | 22.9 | 23.5 | 24.7 | 24.8 | 24.7 | 24.7 | 24.8 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7 | 24.7实际上，在ΔG?与σp Hammett常数之间发现了合理的线性关系（见图S3）。特别值得注意的是，[6+4]环加成反应中电子贫乏的CN-Tr和CPD的障碍能非常低，仅为22.1 kcal mol–1。这个值与maleimide–furan反应的计算ΔG?值相当。然而，关键的是，尽管exo-[6+4] CN-Tr/CPD加合物的ΔG°值与exo-[4+2] furan/maleimide的ΔG°值相似，但[4+2]CN-Tr/CPD加合物的稳定性显著更高，这表明这些加合物的热可逆性较低。添加一个比CN更具吸电子性的NO2基团后，与CPD的反应也显示出类似的低ΔG?值。事实上，使用NO2-Tr后，与furan的环加成障碍能进一步降低。然而，计算出的ΔG°值表明，即使是用高度吸电子的基团单取代tropones，也不足以促进与furan的[6+4]反应。

接下来，我们试图通过合成一系列环加合物来实验验证我们通过计算得出的热力学参数。Tropone和furan都是商业上可获得的，而CPD可以通过二环戊二烯的热裂解轻松获得。其他六种取代的tropones则是从tropolone或tropone开始合成的，经过快速色谱和重结晶后获得了合理的产率。有了这些耦合伙伴，所有的环加成反应都是将tropone衍生物和CPD以1:1.1的比例溶解在80°C的甲苯中，在密封的压力瓶中进行的。所有反应都进行了4天，以便让反应性较低的衍生物有足够的时间反应，同时让其他衍生物达到平衡。我们还将未取代的tropone分别与1.1和10当量的furan反应。4天后，反应物冷却至室温，并在真空条件下浓缩以去除剩余的CPD（见图S4）。这些实验的结果显示在表2中。

表2. 替代tropone与环二烯之间环加成反应的实验结果

| Tropone | Diene | 转化率 (%) | exo-[6+4] (%) | exo-[4+2] (%) | endo-[4+2] (%) | OH-Tr (%) |
|-------|-------|---------|-----------|------------|---------|
| TrCPD | 90 | 100 | 0 | 0 | 0 |
| TrbCPD | 65 | 22 | 78 | 0 | 0 |
| Trfuran | 0 | ------------| OMe-TrCPD | 0 | ------------|
| Cl-TrCPD | 60 | 57 | 11 | 11 | 12 |
| Br-TrCPD | 80 | 43 | 16 | 14 | 27 |
| CN-TrCPD | 100 | 52 | 22 | 62 | 20 |
| diOAc-TrCPD | 0 | ------------| ImTrCPD | 0 | ------------ |

a. 反应在80°C的甲苯中，tropone与环二烯的比例为1:1.1，在密封的压力瓶中进行。
b. 反应在150°C下进行。

正如之前的报告所预期的那样，tropone和CPD生成了一种单一的环加合物，粗产品的1H NMR谱显示环加合物与tropone的摩尔比为90:10。在表2中，这个值被列为转化率，尽管我们也认识到这可能反映了产物和反应物之间的平衡。纯化后，通过HSQC、HMBC和NOESY等2D NMR实验确定了唯一的产物是exo-[6+4]加合物（见图S5）。这证实了我们的计算研究结果，即这种异构体的活化能障碍较低，在动力学上更倾向于形成。然而，在150°C下进行相同反应时，观察到了不同的结果：粗产品中的tropone含量显著增加，只有65%是产物，这表明在150°C下可能发生了显著的retro-[6+4]环加成。此外，还观察到了多种产物，其中22%是exo-[6+4]环加合物，78%是[4+2]产物（见图S6）。这一观察结果与我们的计算结果一致，即[4+2]环加合物的ΔG?值较高，但它们的稳定性也显著更高。

在1:1.1的比例下，tropone与furan之间没有发生反应，这与我们的计算结果一致，计算表明tropone与furan之间的环加成障碍能很高，整个反应是吸热的（见图S7）。相对富电子的OMe-Tr、diOAc-Tr和ImTr与CPD反应时没有成功转化为加合物（见图S8–S10）。相对贫电子的tropone衍生物Cl-Tr、Br-Tr和CN-Tr均成功发生了环加成，转化率分别为60%、80%和>98%。在这三种情况下，粗1H NMR谱中都观察到了多种加合物。此外，13%的Cl-Tr和22%的Br-Tr水解成了OH-Tr。尽管反应是在密封的甲苯中进行的，但明显的水解产物表明这些卤代tropone即使在与微量水分接触时也具有反应性。Br-Tr和CN-Tr的环加合物产物通过快速色谱成功纯化。对于CN-Tr和CPD的反应，能够成功分离出exo-[6+4]和exo-[4+2]加合物，而仅能分离出不纯的endo-[4+2]加合物（见图4）。通过COSY、TOCSY和NOESY实验确定了这些加合物的身份。分析粗1H NMR谱后发现，80°C下的反应产生了58%的exo-[6+4]加合物，其余产物为exo-[4+2]（31%）和endo-[4+2]（11%）。对Br-Tr和CPD的环加成反应也进行了类似的分析（见图S11），无需分离各个异构体即可确定它们的身份和相对丰度（见图S12）。

这些结果使我们能够评估DFT结果在预测tropone衍生物反应性方面的实用性。一般来说，只有自由能障碍能<27 kcal mol–1的反应才成功产生了产物。此外，Cl-Tr、Br-Tr和CN-Tr的竞争性[4+2]反应可以通过计算出的ΔG?值（<2.5 kcal mol–1）高于主要的[6+4]途径来解释。

虽然我们的DFT计算与环加合物产品的分析在定性上取得了良好的一致性，但我们希望能够定量评估我们的模型。为此，我们确定了CPD与我们最具反应性的tropone类似物（未取代的tropone和CN-Tr）之间反应的实验ΔG?值。在不同温度下，测定了tropone与10当量CPD反应的伪一级速率常数（见图S13和S14）。通过绘制Eyring图将观察到的二级速率常数与温度关联起来，计算了ΔH?和ΔS?（见图S15–S17）。最后，计算了25°C下的ΔG?值，以便将观察到的自由能障碍与计算值进行直接比较。对于tropone，实验确定的ΔG?值为25.5 kcal mol–1，这与Tanida之前报告的25.8 kcal mol–1的值非常接近（35）。这两个值都比我们DFT计算的26.6 kcal mol–1低约1 kcal mol–1。CN-Tr的环加成反应的自由能障碍能为22.5 kcal mol–1。尽管由于在反应温度下观察到了部分[4+2]产物，直接比较计算出的[6+4]能量障碍有些复杂，但我们的计算[6+4]值与实验数据相差在1 kcal mol–1以内。总体而言，这些数据表明DFT不仅是预测预期反应性的有用工具，而且我们的计算结果与实验值也非常吻合。

接下来，我们试图通过高温下的量热法来确定纯化的CPD和tropone、CN-Tr、Br-Tr加合物的可逆性。首先，将每种加合物溶解在DMSO-d6中，并在150°C下加热。4小时后，通过1H NMR光谱分析样品以确定产物比例是否发生变化。对于Tr/CPD exo-[6+4]加合物，1H NMR谱显示了起始tropone的重新出现以及exo-[4+2]加合物的形成（见图S18）。这与在150°C下反应24小时时观察到的产物分布一致。由于无法通过柱色谱或重结晶纯化新的加合物，因此无法评估exo-[4+2]加合物的潜在可逆性。然而，由于我们能够从CN-Tr/CPD反应中分离出exo-[6+4]和exo-[4+2]加合物，我们可以通过1H NMR光谱评估它们的热可逆性。exo-[6+4]加合物显示出向起始CN-Tr的转化（48%）以及两种热力学稳定的[4+2]加合物的形成（52%）（见图5a）。然而，当加热exo-[4+2]异构体时，1H NMR谱显示加合物具有显著的热稳定性，只有9%的加合物转化回了起始材料（见图5b）。这一发现得到了我们计算分析的支持，计算预测[4+2]加合物的稳定性至少高出6.8 kcal mol–1。考虑到将起始CN-Tr和CPD转化回去的活化障碍接近40 kcal mol–1，[4+2]加合物能够进行环逆反应的能力令人印象深刻。

我们还使用差示扫描量热法（DSC）来评估环加合物的可逆性（见图S19和S20）。DSC结果再次证明了Tr/CPD exo-[6+4]（见图S19）和CN-Tr/CPD exo-[6+4]加合物（见图5c）的可逆性。exo-[6+4] Tr/CPD加合物在约130°C时出现吸热峰，对应于exo-[6+4]键的解离；而CN-Tr/CPD加合物在约115°C时出现吸热峰，这可以解释为retro-[6+4]反应的活化障碍较低。在150°C时观察到放热峰，这可以解释为正向[4+2]反应。相比之下，CN-Tr/CPD exo-[4+2]加合物仅显示熔化吸热峰，没有观察到retro-[4+2]反应的吸热峰，进一步突出了这种异构体的相对热稳定性。

此外，我们还研究了tropone起始材料在高温条件（150°C下在DMSO-d6中的密封瓶中反应4小时）下的热稳定性。由于只有在高温下才能实现热可逆性，因此tropone、CN-Tr和Br-Tr的热稳定性对于大多数应用来说非常重要。通过1H NMR光谱未检测到未功能化的tropone的降解（见图S21）。对于CN-Tr，在4小时后检测到微量信号，可能对应于未鉴定的降解产物（见图S22）。然而，Br-Tr的降解程度显著更高（见图S23）。如果未来的tropone衍生物将用于动态化学，确定这些降解产物的身份及其定量将是必要的。

在这项研究中，我们通过结合DFT计算和实验分析，研究了tropone衍生物与环二烯的反应，以扩大可逆环加合物的范围。通过计算[6+4]和竞争性[4+2]环加合物的ΔG?和ΔG°值，我们能够快速“预筛选”我们的反应。通过合成一系列tropone衍生物并尝试它们与CPD的环加成反应，我们从定性和定量上验证了我们的计算结果。对于tropone和CN-Tr这两种环加成反应成功的衍生物，我们在25°C下的计算exo-[6+4] ΔG?值与从动力学实验得到的实验值相差在1 kcal mol–1以内。一般来说，计算ΔG?值>27 kcal mol–1的反应在实验中并未观察到。此外，还评估了可分离加合物的可逆性，所有exo-[6+4]加合物都容易发生逆环加成反应，而分离出的[4+2]加合物由于相对稳定性较低，环逆反应较少。计算与实验结果的一致性增强了使用DFT预测其他tropone和环二烯反应性的价值，因为计算ΔG?值>27 kcal mol–1的反应不太可能产生环加合物。计算ΔG°对于评估环加成产物的可逆性尤为重要，因为那些特别稳定的加成产物（ΔG° < ?10 kcal mol–1）可能不适合用于动态系统。虽然所谓的“解离型”共价适应性网络（即具有可逆交联剂的聚合物网络，其反应速率由单分子步骤决定）的研究不如“结合型”网络深入，但大多数这类系统的活化能障碍与已经研究得较为透彻的呋喃-马来酰亚胺体系相当。（37）鉴于我们研究的许多取代型肌钙蛋白都表现出可逆性，我们有充分的理由相信，借助我们的密度泛函理论（DFT）方法，并设计出合适的官能团，未来的取代型肌钙蛋白将能够成功应用于动态材料中。