Oriented Electric Fields Accelerate Diels–Alder Reactions and Control the endo/exo Selectivity

化学 偶极子 反作用坐标 选择性 逐步反应 电场 化学反应 价键理论 反应机理 催化作用 计算化学 分子 立体化学 反应速率常数 分子轨道 物理 反应级数 动力学 量子力学 有机化学
作者
Rinat Meir,Hui Chen,Wenzhen Lai,Sason Shaik
出处
期刊:ChemPhysChem [Wiley]
卷期号:11 (1): 301-310 被引量:201
标识
DOI:10.1002/cphc.200900848
摘要

Herein we demonstrate that an external electric field (EEF) acts as an accessory catalyst/inhibitor for Diels-Alder (DA) reactions. When the EEF is oriented along the "reaction axis" (the coordinate of approach of the reactants in the reaction path), the barrier of the DA reactions is lowered by a significant amount, equivalent to rate enhancements by 4-6 orders of magnitude. Simply flipping the EEF direction has the opposite effect, and the EEF acts as an inhibitor. Additionally, an EEF oriented perpendicular to the "reaction axis" in the direction of the individual molecule dipoles can change the endo/exo selectivity, favouring one or the other depending on the positive/negative directions of the EEF vis-à-vis the individual molecular dipole. At some critical value of the EEF along the "reaction axis", there is a crossover to a stepwise mechanism that involves a zwitterionic intermediate. The valence bond diagram model is used to comprehend these trends and to derive a selection rule for EEF effects on chemical reactions: an EEF aligned in the direction of the electron flow between the reactants will lower the reaction barrier. It is shown that the exo/endo control by the EEF is not associated with changes in secondary orbital interactions.
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