理论化学方法阐明化学反应热力学控制与动力学控制的概念——推荐一个Diels-Alder反应的计算化学实验

设计了一个适用于化学专业高年级本科生的综合计算化学实验。该实验通过量子化学计算,研究了有机化学教材中一个典型的Diels-Alder反应,给出了反应过程的微观物理图像以及反应的热力学和动力学性质的定量信息,阐明了化学反应中热力学控制和动力学控制的基本概念。该实验旨在培养学生使用计算化学方法研究化学问题的基本技能,加深其对物质结构与性能之间关系的理解。该实验也是对学生进行辩证唯物主义世界观和方法论教育的一个具体实例,着重引导学生充分认识矛盾的普遍性,擅于用联系观和发展观分析和解决化学实际问题。

酶催化杂Diels-Alder反应

Diels-Alder反应被认为是合成复杂天然产物的最有效的方法之一,一直以来都深受化学家的关注。而杂原子参与的HDA(Hetero-Diels-Alder)反应是合成各种天然杂环的重要工具,其中以氧杂DA反应和氮杂DA反应最为常见。酶催化HDA反应以其绿色温和、高效、高选择性等优势受到人们广泛关注。随着杂环天然产物中酶催化HDA反应的不断发现,对HDA相关酶的立体选择性、底物特异性的研究也不断深入,有效促进了人们对这一类酶序列与功能关系的了解,为其挖掘和改造奠定了基础。本文集中对目前已知的酶催化HDA反应合成杂环天然产物的成果进行概述,主要包括吡喃类化合物和吲哚生物碱生物合成中涉及的酶促HDA反应,以期通过对途径和催化机理的分析,为发展新的相关生物催化剂用于合成非天然的杂环产物提供思路。

基于呋喃、马来酰亚胺Diels-Alder反应的自修复水性聚丙烯酸酯涂料的制备及性能研究

基于呋喃和马来酰亚胺之间的可逆Diels-Alder(DA)反应,成功制得一种通过热驱动而具备自修复特性的水性聚丙烯酸酯涂料,并对自修复的条件进行了探索和优化。首先合成带呋喃官能团的丙烯酸酯单体(FEEMA),将其与常用的丙烯酸单体无皂乳液共聚合,得到稳定的水性丙烯酸酯乳液,并对其进行红外光谱、凝胶渗透色谱和粒径测试。其次设计合成出能够水分散的、带聚醚链的双马来酰亚胺(D-400-BMI),使其与水性丙烯酸酯乳液进行Diels-Alder反应得到水性聚丙烯酸酯交联膜。利用红外光谱及差示扫描量热法跟踪不同条件下的Diels-Alder反应和retro-DA过程,结果表明当聚合物中的FEEMA质量分数为30%、甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯质量比为1∶5时,由自制的较软链段分子D-400-BMI制备的交联膜有较好的修复性能。交联膜被划伤后,经140℃热处理再缓慢冷却至室温,可对表面划伤和摩擦痕迹有良好的修复效果。此外,制备的交联膜还具备良好的耐热性能和机械性能,在表面涂层划痕和微裂纹自修复方面有潜在应用前景。

脲基氢键对光固化聚氨酯的Diels-Alder结构重构及自修复性能的影响

采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚醚胺(PEA)、含Diels-Alder(DA)结构的二元醇和丙烯酸羟乙酯(HEA)制备了一系列不同聚醚胺和DA二元醇物质的量比的双重动态可逆光固化聚氨酯。利用傅立叶变换红外光谱仪、差式扫描量热仪和旋转流变仪等研究了聚氨酯的DA结构的重构、流变性能、自修复性能和力学性能。结果表明:当聚醚胺和DA二元醇的物质的量比为1∶1时,DA重构率最高,综合性能最佳,氢键和DA的双重可逆结构可以实现自修复机制的协同效应,从而改善聚氨酯的自修复性能。

自由基正离子催化的Diels-Alder环加成反应研究进展

本文回顾了分子间Diels-Alder反应的定义和类型,详细总结了自由基正离子催化的Diels-Alder环加成反应方式,包括铵基阳离子、电化学、三价铁和光催化等方法,对不同催化体系的优缺点进行了说明。同时总结了自由基正离子Diels-Alder环加成反应的现状、面临的挑战,以及未来的发展趋势。

基于Diels-Alder反应的自修复水性聚氨酯的合成与性能研究

合成了N-(2-羟乙基)马来酰亚胺及双端呋喃结构的HFA,将这两种分子作为扩链剂引入水性聚氨酯的链段,得到不同DA可逆化学键含量的自修复水性聚氨酯,使用傅利叶红外光谱和核磁共振氢谱对其结构进行了表征。通过万能材料试验机对材料进行测试与分析,实验结果表明,随着N-(2-羟乙基)马来酰亚胺的含量从0%增加到2%,试样的拉伸强度从0.51MPa增大到1.28MPa。把样条切断,沿断面进行拼接,在130℃加热0.5h,然后在80℃下保温8h对断面进行修复。修复后WPU-1和WPU-2的拉伸强度分别为0.82MPa和0.98MPa,拉伸强度修复率分别为69.49%和76.56%,同样的条件下WPU-0样条不能修复。随着DA可逆化学键在水性聚氨酯中含量的提高,材料的拉伸强度和自修复效率有明显的提高。

基于Diels-Alder反应的可注射缓释水凝胶的制备及其理化性质

本研究旨在通过药物-聚合物偶联物模型和Diels-Alder点击反应制备一种可注射缓释水凝胶。将葛根素与透明质酸通过酰胺键连接得到葛根素-透明质酸偶联物(PUE-HA),将PUE-HA和四臂马来酰亚胺聚乙二醇(4-arm-PEG-MAL)通过Diels-Alder点击反应交联制备了可注射缓释水凝胶(PUE-HA-PEG),并考察了三种不同呋喃(Furan)与马来酰亚胺基(MI)比例对所得水凝胶的胶凝时间、形貌、溶胀度、降解度、葛根素体外释放、水凝胶力学性能以及水凝胶生物相容性等理化性质的影响。与1Furan/1MI和1Furan/2MI水凝胶相比,1Furan/4MI的水凝胶胶凝时间可缩短至1 min。随着MI比例的增加,水凝胶具有更低的降解速率(21 d降解率低于60%),更好的力学性能,缓释释药作用更加明显。实验结果表明,Furan/MI的比例对可注射缓释水凝胶的理化性质具有重大影响。

红外光谱法研究聚合物中的Diels-Alder反应动力学

呋喃与马来酰亚胺之间的Diels-Alder(D-A)反应是一类重要的热可逆反应,目前已成为聚合物结构和功能设计的重要化学手段,研究聚合物中的D-A反应动力学行为对于材料性能设计十分关键。利用FTIR定量测定了聚合物中的D-A反应产物在不同温度下的红外特征吸收峰强度随时间的变化,通过反应动力学方程计算出D-A反应的表观动力学常数和活化能,并将计算结果与1H NMR测试的结果进行比较,验证了利用FTIR定量计算聚合物中D-A反应动力学的可行性。

基于HMO方法、FMO理论和DFT计算理解Diels-Alder反应的立体专一性、区域选择性和立体选择性

Diels-Alder(D-A)反应是基础有机化学的重要教学内容,也是结构化学中运用物质结构基本原理予以分析处理的典型化学反应。本文基于休克尔分子轨道(HMO)方法、前线分子轨道(FMO)理论和量子化学计算研究了1-甲氧基-1,3-丁二烯和丙烯醛的Diels-Alder反应,给出了理解反应立体专一性、区域选择性和立体选择性的定量信息和直观物理图像。研究结果有助于加深学生对D-A反应特点和规律的认识、培养学生对计算化学的兴趣、提高学生分析问题和解决问题的能力。

连续流Diels-Alder反应技术研究进展

介绍了近年来连续流技术在Diels-Alder反应中的应用,通过协同连续流、催化剂和微波辐射等技术来优化Diels-Alder反应工艺。Diels-Alder反应广泛用于合成六元环加成中间体、天然产物、原料药和农药。但传统Diels-Alder反应的温度高、时间长等缺点限制了该类反应的应用,连续流技术具有优异的传热传质效率,可以很好地解决上述问题,可以安全地进行釜式反应中的一些危险实验,如硝化反应、氟化反应、叠氮化反应、氧化和还原反应等。未来,随着流动化学与其他先进技术的结合,如微波辐射技术、在线检测技术等,将连续流技术在Diels-Alder反应中应用,将缩短反应时间,提高反应收率和反应过程更加安全可控。

基于Diels-Alder反应的聚丙烯回收强化

文中采用反应性加工方法将Diels-Alder(D-A)动态共价键接枝到商品化的等规聚丙烯中,在螺杆挤出机中一步法制备出具有热可逆交联结构的聚丙烯,并详细研究了接枝单体浓度、马来酰亚胺与呋喃基团比例等关键参数对交联聚丙烯力学性能的影响,特别是材料循环再利用时的性能变化规律。结果表明,可逆交联能够显著提高聚丙烯的弯曲模量和弯曲强度,材料的冲击强度也有一定改善;当接枝于聚丙烯侧基的呋喃适当过量于小分子交联剂双马来酰亚胺(即马来酰亚胺与呋喃官能团摩尔比为0.50)时,材料的增强效果最优。可逆交联聚丙烯经循环加工2次后,其力学强度仍优于未交联的商品化聚丙烯。此外,得益于D-A反应的热可逆性,交联聚丙烯具有与商品化聚丙烯相近的熔融加工性能。动态共价键的引入为聚丙烯的回收强化提供了新思路。

Diels-Alder反应合成萘环及其衍生物的研究进展

Diels-Alder反应是合成化学中的一类重要反应类型,Diels-Alder环加成反应广泛应用于取代萘和萘醌的合成。通常,不对称的二烯和亲二烯化合物可能形成一个以上的环加合物,但在某些情况下,有很好的区域化学控制。本文将对这类Diels-Alder反应进行分析和总结。这其中复杂前体的合成可能是促进区域选择性的必要条件。通过文献调研,我们发现通过Diels-Alder反应合成萘环及其衍生物,主要有三种方式:1) 醌对二烯的Diels-Alder加成,2) 邻苯碳醌参与的Diels-Alder加成,3) 苯的Diels-Alder加成。该类反应将成为合成萘环及其衍生物和C-C键形成的重要方法。

Diels-Alder型自修复聚氨酯胶粘剂的制备及其性能

目前,针对珍贵零件粘接后难以回收重复使用的问题,将可逆共价键引入胶粘体系成为解决问题的方向。研究使用糠醇(FA)和N,N′-(4,4′-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺(BMI)制备了含有Diels-Alder(DA)键的二元醇(DA diol),使用六亚甲基二异氰酸酯(HDI)分别与聚四氢呋喃二醇(PTMG-2000)和DA diol反应封端,最后使用1,1,1-三(羟甲基)丙烷(TMP)与封端产物反应形成交联结构的聚氨酯材料(DPU)。结果表明,DPU具备优异的机械性能、热稳定性和粘接性能。DA键在DPU中具有可逆性且DA逆反应(r-DA)的最佳温度为135℃。DA键含量最多的DPU-Ⅳ的修复效率最高可达到89.0%。DPU-Ⅲ、DPU-Ⅳ粘接性能优异,对不锈钢粘接的剪切强度分别可达到(6.41±0.41)和(2.89±0.34)MPa;DPU-Ⅳ具有重复粘接使用的能力,对不锈钢基材重复粘接的3次的剪切强度分别为(2.89±0.34)、(1.91±0.15)和(1.68±0.20)MPa。粘接性能测试体现出胶膜自身强度与粘接的剪切强度、修复效率与重复粘接能力间的相关性。

结构和热分析研究环戊二烯-甲萘醌加合物的逆Diels-Alder反应

晶体结构分析显示环戊二烯-甲萘醌加合物的C4-C14键被它的角甲基空间效应所弱化,热分析(TG-DSC)研究显示在130℃该加合物的逆Diels-Alder反应趋势得到加强。根据这些结果,推论并证实了环戊二烯-维生素K1加合物具有更强的逆Diels-Alder反应趋势。

肟和环戊二烯杂Diels-Alder反应的理论计算

应用量子化学中的密度泛函(B3LYP/6-311G(d,p))和二级微扰(MP2/6-311G(d,p))方法对肟和环戊二烯的杂Diels-Alder反应机理进行了计算.结果表明,碳氮键先于碳碳键生成,碳氮键和碳碳键的生成与断裂属非同步的协同过程,C-O键在反应中钝化,不参与反应;反应符合前线轨道理论,利于反应进行;从热力学和动力学角度分析,此反应可以进行,优化计算的结果意义较大;反应计算数据与已有实验结果一致.

工业脂肪酸和松香Diels-Alder反应合成复合二聚酸

以工业脂肪酸和松香为原料,经Diels-Alder反应合成一种复合二聚酸。采用凝胶色谱法测定了产物的单体、二聚体和三聚体的含量,探讨了不同反应条件对产物组成和性质的影响。结果表明:采用自制的催化剂体系,催化剂用量(以体系质量计)1%,松香质量分数5%,反应时间5 h,反应温度240℃,反应压力0.5 MPa的条件下,产物中二聚体达到51.03%,加成产物40℃的黏度为320 mPa.s、酸值为193.9 mg/g。用1HNMR对产物进行了表征,表明发生了Diels-Alder加成反应。

2-硅萘与乙炔和苯乙炔杂Diels-Alder反应的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法在B3LYP/6-311G(d,p)水平上研究了2-硅萘与乙炔和苯乙炔的杂Diels-Alder反应的微观机理和势能剖面,考察了反应的取代基效应和溶剂效应,并与硅苯参与的类似反应进行了比较.计算结果表明,所研究反应均以协同非同步的方式进行.乙炔分子中碳原子上的苯基取代基对反应活化能垒的影响与产物中苯基所处的位置有关.2-硅萘分子中硅原子上的C(CH3)3或NH2取代基对反应势能剖面的影响一般都比较小,而其上的CCl3取代基对反应势能剖面的影响则比较复杂.苯溶剂对所研究反应的势能剖面影响不大.2-硅萘参与的杂Diels-Alder反应在热力学和动力学上均不如涉及硅苯的相应反应容易进行.

基于水中的Diels-Alder反应制备水凝胶的研究

首先通过N,N-二甲基丙烯酰胺与甲基丙烯酸糠酯的自由基共聚合成了水溶性的大分子双烯体,然后通过聚乙二醇与N-甘氨酸马来酰亚胺的缩合反应合成了水溶性的大分子亲双烯体,接着,将合成的大分子双烯体与亲双烯体溶解于水中,通过水中的Diels-Alder反应合成了水凝胶,考察了不同温度下的凝胶化时间。研究发现凝胶化时间与温度有很大关系,温度越高,凝胶化时间越短。且合成的水凝胶在水中比较稳定,水中回流8h,凝胶并没有消失。但在DMF中,容易发生逆Diels-Alder反应。本文对合成的水凝胶进行了表征,并探讨了该凝胶体系在药物控释方面的应用。

碳纳米管上分子印迹微反应器的构建及催化Diels-Alder反应研究

通过多壁碳纳米管(MWCNTs)上羟基的酯化反应在碳纳米管表面接枝双键,以蒽和马来酸的加成反应产物为模板分子,甲基丙烯酸(MAA)为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)为交联剂,通过微波辐射聚合在碳纳米管表面接枝一层厚度约为30 nm的分子印迹催化剂.该催化剂对蒽和马来酸的加成反应具有明显的催化作用,反应开始后的180 min内,催化反应速率是不加催化剂反应速率的1.77倍.该催化反应的催化动力学遵守Michaelis-Menten方程,最大速率(vmax)为0.713μmol/(L.s),米氏常数(KM)为17735.24μmol/L.

硅杂苯与亲二烯体的Diels-Alder反应

采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G(d,p)水平上研究了硅杂苯与一些亲二烯体的两类可能的Diels-Alder反应的微观机理、势能剖面、取代基效应和溶剂化效应.计算结果表明,所研究反应均以协同的方式进行.亲二烯体分子碳原子上的苯基取代基对两个新键形成的非同步性和反应的活化能垒的影响取决于苯基在产物中的相对位置,而硅杂苯分子中硅原子上的CCl3取代基有利于杂Diels-Alder反应的进行.形成一个C—Si键的杂Diels-Alder反应在热力学和动力学上均远比相应的全碳Diels-Alder反应容易进行,实验观察到的杂Diels-Alder反应中的区域选择性由动力学因素所控制.硅杂苯与烯烃的反应比与相应炔烃的反应在动力学上容易进行一些,但在热力学上后者远比前者容易进行.苯溶剂对所研究反应的势能剖面影响较小.