論文のタイトル: Molecular Dynamics Investigations of Dienolate [4 + 2] Reactions
著者: Peng-Jui Chen, Alexander Q. Cusumano, Kaylin N. Flesch, Christian Santiago Strong, William A. Goddard, III, Brian M. Stoltz
雑誌: Journal of the American Chemical Society
出版年: 2024
背景
1: 研究の背景
[4+2]環化付加反応は有機合成で広く利用されている手法
2つの新しいC-C結合と最大4つの立体中心を同時に構築できる
非極性または対称的に極性化した基質では立体特異的な経路が知られている
しかし、極性化した基質では中間体を経由する立体選択的な経路が提案されている
2: 研究の目的
極性化したジエノレートの[4+2]環化付加反応の機構を解明する
シロキシジエン、リチウムジエノレート、パラジウムエノレートの3種を比較
結合形成過程の同期性と中間体の寿命を分子動力学シミュレーションで解析
3: 期待される成果
[4+2]環化付加反応の機構に関する新たな知見を得る
反応の同期性と立体化学的結果の由来を明らかにする
基質の選択が反応機構に与える影響を評価する
方法
1: 計算手法
密度汎関数理論による基質と遷移状態の構造計算
遷移状態からの分子動力学シミュレーション
結合形成の時間差(Δt)を中心とした解析
2: 基質と反応条件
シロキシジエン: 溶媒=トルエン、383 K
リチウムジエノレート: 溶媒=ヘキサン/エーテル混合物、195 K
パラジウムエノレート: 溶媒=DMSO、333 K
3: 解析方法
分子動力学シミュレーションから100本の軌道を抽出
生成物と出発物質への分岐を追跡
2つのC-C結合形成時間の差(Δt)を計算
Δt ≤ 60 fsを動力学的に同時、Δt > 60 fsを動力学的に段階的と定義
結果
1: シロキシジエンの結果
平均Δt = 26.5 fs
97%の軌道が生産的
高い同期性、動力学的に同時的
2: リチウムジエノレートの結果
分子内反応: 平均Δt = 251.0 fs、100%が動力学的に段階的
分子間反応: 平均Δt = 154.5 fs、95%が動力学的に段階的
長寿命の電荷分離中間体が観測された
3: パラジウムエノレートの結果
平均Δt = 172.9 fs
90%が動力学的に段階的
シロキシジエンよりも非同期的だが、リチウムジエノレートよりは同期的
考察
1: 主な発見とその意味
基質の極性化の程度に応じて、反応の同期性が変化する
高い非同期性では長寿命の電荷分離中間体が生じる
しかし、中間体の寿命が結合回転より短ければ立体化学は保持される
2: 先行研究との比較
Houkらの研究と同様に、高い非同期性が動力学的段階性をもたらす
リチウムジエノレートでは実験的に単一のマイケル付加体が単離されている例がある
シロキシジエンは同期的であるとされてきた
3: 基質選択の重要性
基質の選択が反応機構と生成物の立体化学制御に大きな影響を与える
適切な基質設計が全合成等での応用に重要である
4: 限界点
溶媒効果や求核剤・求電子剤の影響は考慮されていない
より複雑な基質系への外挿には注意が必要
実験的検証による裏付けが不可欠
結論
極性化したジエノレートの[4+2]環化付加反応の機構が明らかになった
反応の同期性と中間体寿命が生成物の立体化学を決定する鍵因子であることがわかった
今後の展望
実験的検証と理論計算の融合により、さらに詳細な機構解明が期待される
効率的な立体選択的合成の開発
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