7.3.9 动力学/动态学控制反应——解决分叉势能面
在过渡态理论中，一个过渡态连接一个（或一组）底物和一个（或一组）产物，过渡态与底物的能量差影响反应的速率。对于具有两条竞争的不可逆路径的化学反应，反应的选择性主要由两个过渡态的能量差决定，因此该反应受动力学控制[图7-26（a）]。近年来，科学家发现化学反应势能面上的过渡态可以同时与多个（或多组）产物相连，这类势能面被称为分叉势能面（bifurcating potential energy surface）[53，54]。在Ambimodal反应[55]过渡态TS1后的VRI点（valley-ridge inflection point）附近，原本单一的反应路径会发生分化，分别得到产物P1和P2，两者又可通过另一个过渡态TS2进行连接[图7-26（b）]。2002年，Caramella课题组发现环戊二烯的二聚反应具有分叉势能面[图7-27（a）][56]。2007年，Houk课题组发现分叉势能面也存在于其他环加成反应[图7-27（b）]中[57]。由于分叉势能面上的产物经由同一过渡态得到，反应的选择性无法通过过渡态理论进行理解和预测，被认为受到势能面的形状与相应的动态学因素控制。
图7-26 动力学控制和动态学控制
图7-27 Ambimodal反应示例
与上述例子不同的是，当过渡态不是同时与多个产物而是同时与多个反应中间体相连时，分叉势能面上反应选择性的控制因素一直以来并没有得到科学家的充分认识。2015年，余志祥课题组与王少仲课题组合作，对这一问题进行了系统深入的讨论[58]。该研究指出，当过渡态同时与多个反应中间体相连时，理论上可分为三种情形进行研究。① 反应中间体之间不能互相转化[图7-28（a）]。在反应路径分化后，得到反应中间体IN1和IN2。此时，P1与P2的比例等于IN1与IN2的比例，而后者由动态学因素决定，故反应受动态学控制。② 反应中间体能够不可逆地转化为另一个反应中间体[图7-28（b）]。由于连接两个反应中间体的过渡态TS2比后续转化的过渡态TS3的能量高，IN1不能转化为IN2，而是得到产物P1；与之相反，IN2能够转化为IN1，这是因为过渡态TS2比后续转化的过渡态TS4的能量低，故IN2会首先发生转化得到IN1，进而得到产物P1。考虑到此时反应的选择性仅与过渡态TS2、TS3和TS4的相对能量有关，故反应受动力学控制。③ 反应中间体之间能够互相转化[图7-28（c）]。由于两个反应中间体的后续反应均比两个反应中间体之间的互相转化慢，IN1和IN2可被认为形成了化学平衡。此时，反应的选择性由过渡态TS3和TS4的能量差决定，故反应也受动力学控制。与受动态学控制的Ⅰ型分叉势能面不同，Ⅱ、Ⅲ型分叉势能面上反应的选择性可以运用传统的过渡态理论进行解释和预测。(https://www.daowen.com)
图7-28 过渡态同时与两个反应中间体相连时的三种分叉势能面
王少仲课题组发现，在金正离子催化下，2-炔丙基-β-四氢咔啉可以发生扩环反应，生成在天然生物碱中广泛存在的azocinoindole骨架结构（图7-29）。当使用具有端炔结构的2-炔丙基-β-四氢咔啉（R1=H）作为底物时，可以得到去芳香化的螺环吲哚产物。这些反应在合成上有良好的应用前景。余志祥课题组通过量子化学计算提出了此类反应的机理，并揭示了影响此类反应选择性的动力学和动态学因素。该研究指出，此类反应起始于吲哚对经金催化剂活化的炔烃的分子内亲核进攻。三维势能面扫描显示，该过程具有分叉势能面的性质，同时得到α-位进攻和β-位进攻中间体，经后续转化后分别得到扩环和螺环产物。受到R1和R3的取代基效应和酸性添加剂的调控，图7-28所示的三种分叉势能面在这一反应体系均有所体现。值得一提的是，该工作结论不仅适用于所涉及金催化的反应体系，而且揭示了复杂分叉势能面上反应选择性决定因素的普遍规律，丰富了过渡态理论的适用范围，为理解其他反应的选择性起到了一定的指导作用。
图7-29 金催化的2-炔丙基-β-四氢咔啉的扩环和螺环化反应
