7.2.7 Lewis酸促进的Diels-Alder环加成反应
Diels-Alder（DA）反应可以快速构建具有最多四个立体中心的六元环，因此，其自从被发现就受到了化学家的广泛关注。其中，由于Lewis酸可以与亲双烯体结合，其不仅可以加快DA反应，还可以通过形成特定的化学结构来更好地控制产物的立体化学。通过前线轨道分析，化学家认为Lewis酸与亲双烯体结合之后能够降低亲双烯体的LUMO，使得其与二烯体的HOMO能量差减小，进而增大反应速率。但在近期的研究中，Bickelhaupt等通过计算化学研究，发现Lewis酸能够催化反应的主要原因是降低了二烯体与亲双烯体的Pauli排斥作用（图7-12）[15]。具体来说，在反应过渡态中，二烯体的HOMO-1轨道（HOMO-1diene）与亲双烯体的π轨道（π-MOester）之间有比较强的相互作用。该相互作用为两中心四电子的排斥作用（〈HOMO-1diene|π-MOester〉），能使体系的活化能升高，从而不利于反应的发生。当Lewis酸催化该反应时，Lewis酸的电子效应显著地削弱了过渡态中二烯体的HOMO-1轨道与亲双烯体的π轨道之间的Pauli排斥作用，进而降低了反应能垒。
图7-12 Lewis酸促进的Diels-Alder环加成反应
除了上述的Pauli排斥作用，他们对该反应进行了能量分解，详细研究了各部分能量及不同Lewis酸对该反应LUMO和HOMO能量差的关系（表7-1）。从计算结果可以看出，Lewis酸的酸性与反应的相互作用能ΔEint变化一致，该结果符合人们的认知。但是随着酸性的增加，LUMO能量并不是单调变化的。从这里可以看出，Lewis酸催化该反应的能力与LUMO和HOMO能量差并没有很好的对应关系。(https://www.daowen.com)
表7-1 不同Lewis酸对反应的影响原因
随后，他们针对不加催化剂、TiCl4催化、AlCl3催化这三种情况，用能量分解的方式对反应进行了研究，发现随着催化剂酸性的增加，反应能垒逐渐变小。在加入催化剂后，轨道作用能变化不大，而Pauli排斥能变化很大。因此，他们得出结论：Lewis酸主要通过降低Pauli排斥作用来降低DA反应的活化能。这个观点与传统的前线轨道理论不同，这启示了科学家使用前线轨道理论判断反应性时需要考虑是否有内层电子Pauli排斥作用的影响。