安息香缩合反应的实验装置图安息香缩合反应的实验报告

安息香缩合反应是一种常用的有机合成反应。实验中，通过将苯甲醛和乙酰丙酮缩合，使用酸性醇溶液进行加热反应，制备出安息香。实验结果表明，成功合成了安息香。反应条件的调节和实验过程的改进能够进一步提高反应产率和反应选择性。
【安息香缩合反应的实验装置图安息香缩合反应的实验报告】反应机理在有机化学上具有重要的意义。通过反应机理，可以(1)寻找有机反应的规律，以优化反应效率，提高反应产率；(2)设计新的反应，以扩展反应的使用范围等等。完整的反应机理通常需要考虑键的断裂和生成以及对应的过渡态的形成，有时还需要考虑到催化剂、反应的立体化学等。目前，实验上虽然可以对反应机理进行一定的确证，但却很难确证反应过程中的过渡态结构。近年来，随着量子化学计算的发展，密度泛函理论DFT技术已经成为确证有机反应机理的一种有力手段。接下来，本文将选取两个实例来说明量子化学计算在反应机理确证中的应用。
1量子化学计算确证安息香缩合反应的反应机理
安息香缩合反应的催化循环中包含两步亲核加成过程(如图1所示) ，即卡宾加成和碳-碳键形成过程。在此过程中，亲核试剂转移部分电子给亲电试剂，使得亲核试剂带部分正电荷，而亲电试剂带部分负电荷。因此原位产生的酸就能通过氢键与亲电试剂(苯甲醛)的氧作用，就能中和亲电试剂所带的负电荷，从而降低活化能垒。

文章插图
图1. 安息香缩合反应的机理
图片来源于J. Am. Chem. Soc.
DFT计算 *** 被用于计算上述反应机理。图2给出了以自由卡宾2为起点的安息香缩合反应的势能曲线。以三甲胺为碱的计算结果与Leeper对噻唑盐和三乙胺催化的安息香缩合的动力学实验在定性上相符合。去质子化和碳-碳键加成的能垒分别为23.9和20.1 kcal/mol ，这也与实验上估计这两步都是部分的决速步骤相一致；质子化的中间体4TMA在势能面上以势井存在，这也就解释了为什么实验上能检测到质子化的中间体；中间体4TMA的自由能比Breslow中间体5要低10.4 kcal/mol ，这也与实验上估计的6 kcal/mol接近。
对势能曲线进一步分析，可以发现酸和碱在催化过程中起到了质子传递的作用，可以把酸对反应势能面的影响分为两个阶段。第一个阶段为2→5 ，即卡宾与苯甲醛加成形成Breslow 中间体的过程(卡宾加成) ，该过程适用于任何氮杂环卡宾催化的极性反转反应。在此过程中，酸降低了卡宾与苯甲醛加成的过渡态的能量，同时还通过质子化-去质子化的过程降低了质子迁移的能垒。第二个阶段为5→7 ，即Breslow中间体与另一分子苯甲醛加成形成产物的过程(碳-碳键形成) 。在此过程中，酸起到了相似的作用，但由于Breslow中间体本来就含有较活泼的质子，酸的影响弱于第一个阶段。这里所给的例子是分子间的反应，碳-碳键形成的反应能垒高于卡宾加成，酸对整体势能面的总能垒的影响不是很明显，所以对于这类反应，强碱和弱碱条件没有明显差别。而对于碳-碳键形成的反应能垒低于卡宾加成的反应，如分子内的反应或强亲电试剂的反应，酸对整体势能面的总能垒的影响较大，该类反应更趋向于在弱碱条件(对应于强的共轭酸)下发生。

安息香缩合反应的实验装置图 安息香缩合反应的实验报告

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