量子化学Gaussian || 看完秒懂！环加成反应过渡态搜寻的两种策略

众所周知，Diels-Alder (DA)反应是共轭二烯与取代烯烃（亲二烯体）反应生成取代环己烯的环加成反应。反应进行时，共轭二烯与亲二烯体彼此靠近并作用，协同过程（旧键断裂与新键形成同时发生）中形成一个环状过渡态。我们可以凭借此类化学常识利用Gaussian支持的过渡态结构优化算法（如Berny算法）轻易地找到上述六元环过渡态。

结构优化关键字opt=(ts,noeigen,calcfc)，同时进行频率计算。

得到优化后的过渡态结构后我们进一步检查振动频率：有且仅有一个虚频（如本例中-525.10）是成功找到过渡态的必要非充分条件。我们同时可以观看此振动模式的动画（表格下方Start Animation）会发现双键末端的碳原子两两相互靠近成键，体系总体形成六元环的趋势。

上述方法（小编称之为“直接法”）固然方便，但对于较大体系往往效率极低甚至最终也难以收敛。例如1,3-偶极环加成反应（或称Huisgen反应）是一类发生在1,3-偶极体与烯烃、炔烃或相应衍生物间的环加成反应（反应及反应机理如下图图源:

http://v2.service.kingdraw.cn/Service/Content/Shareid=118312&extToken=e8ZLhB8+xMR3yUlwgMc8FHENt65Y98tx4I/6YCk9DDFDMKLba0i6itcjbZ0MryvTome3hnEN3SXG6n5e/Ps866XRj9LaJ+NLdJjtPXo4E3PvBUIKRPpGlu19Du6sIpfvyZiyXLtmHQqNqXz3csbBVuvRB53ECjNpQDA8z8apr4z5Oigpdi6SfWimoORaNpqie97bhWkzOW7Fyw1CszdhsjOXG8TXaGVyQPxAgznaIE0=）

德国化学家Rolf Huisgen首先广泛应用此类反应制备五元杂环化合物。

小编在用“直接法”对2002年Sharpless教授neat条件下通过叠氮-炔基环加成产生1,2,3-三唑的反应（V. V. Rostovtsev, L. G. Green, V. V. Fokin, K. B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 2596-2599）搜寻过渡态时，发现即使在较低B3LYP/6-31G(d)水平下也并不容易实现。

故在此仍以DA反应为例，以提高过渡态搜寻效率为目的，介绍限制性优化-过渡态搜索两步法。

反应路径指的是连接两个极小值点之间的能量最低路径，因此反应路径上的点都是所有垂直于反应路径方向上的极小值点。

而两步法搜寻过渡态的步骤则为：

1. 指定初猜（A），固定反应坐标，进行结构优化opt=modredundant freq得到B；
2. 以B为初始结构，放开全部自由度，寻找过渡态opt=(calcfc,noeigen ts)。

此例中我们已知DA反应中双键末端碳原子（C1/C11, C7/C14）两两靠近，我们可以首先固定这两段原子间距（GaussView下右键 – Tools - Redundant Coordinates… - Add选中要固定的两原子 – Freeze Coordinate），对此外的原子坐标进行优化（注意此时的优化任务仍为Optimize to a Minimun而非过渡态TS）。

得到限制性优化的结果后再放开全部自由度搜索过渡态，这样搜寻过渡态的效率很高。

(限制性优化后的结果)

最后，感兴趣的读者可以尝试利用两步法搜寻上述Huisgen反应（以2002年Sharpless在Angew上提出反应为例），第一步仅需固定炔基两端碳原子与叠氮末端两氮原子的间距形成五元环即可。眼尖的或是长期关注/利用点击化学的读者可能发现，铜催化的叠氮炔基环加成反应正是在温和环境下大大提升了这一反应速率并提高了选择性。尽管反应过程中引入了新的金属中心，但限制性优化-过渡态搜索的两步法策略同样适用，感兴趣的小伙伴们亦可进行尝试。

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