雙分子親核取代反應
SN2反應（雙分子親核取代反應）是親核取代反應的一類，其中S代表取代（Substitution），N代表親核（Nucleophilic），2代表反應的決速步涉及兩種分子。與SN1反應相對應，SN2反應中，親核試劑帶着一對孤對電子進攻具親電性的缺電子中心原子，形成過渡態的同時，離去基團離去。反應中不生成碳正離子，速率控制步驟是上述的協同步驟，反應速率與兩種物質的濃度成正比，因此稱為雙分子親核取代反應。
在無機化學中，常稱雙分子親核取代反應類型的反應機理為「交換機理」。
反應機理
[編輯]SN2反應最常發生在脂肪族sp3雜化的碳原子上，碳原子與一個電負性強、穩定的離去基團（X）相連，一般為鹵素陰離子。親核試劑（Nu）從離去基團的正後方進攻碳原子，Nu-C-X角度為180°，以使其孤對電子與C-X鍵的σ*反鍵軌態可以達到最大重疊。然後形成一個五配位的反應過渡態，碳約為sp2雜化，用兩個垂直於平面的p軌態分別與離去基團和親核試劑成鍵。C-X的斷裂與新的C-Nu鍵的形成是同時的，X很快離去，形成含C-Nu鍵的新化合物。
由於親核試劑是從離去基團的背面進攻，故如果受進攻的原子具有手性，則反應後手性原子的立體化學發生構型翻轉，也稱「瓦爾登翻轉」。這也是SN2反應在立體化學上的重要特徵。反應過程類似於大風將雨傘由里向外翻轉。
上例中，OH−（親核試劑）進攻C2H5Br（底物）發生SN2反應，經過不穩定的過渡態，最終Br−離去，得到乙醇。
SN2反應也可以在分子內發生，合成的環系一般為五元環、六元環和三元環。分子內的Williamson合成得到環氧化合物，即是這類反應的一個例子。相比下，四元環張力太大，空間上也不利，很難生成；七元、八元之類的大環可以生成，但分子間反應處於優勢，需要將反應物以高稀溶液的形式反應，以增大分子內產物的比例。
SN2反應一般發生在一級碳原子上，很難成為有位阻分子的反應機理，並且取代基越多，按SN2機理反應的可能性越小。基團在空間上比較擁擠的分子一般採用SN1機理，可以緩解一部分的位阻，也可生成較穩定的碳正離子（通常為三級碳正離子）。
決定速率的因素
[編輯]- 離去基團的鹼性：離去基團的鹼性越強，其離去能力越弱，反之亦然。離子的鹼性隨着所在週期的增加而降低。對於鹵素離子而言，碘離子的鹼性最弱，因此碘離子是一個很好的離去基團；氟離子則相反，氟代烴也因此很難發生SN2反應。
- 強鹼 F− > Cl− > Br− > I− 弱鹼
- 反應速率 慢 F− < Cl− < Br− < I− 快
- 親核試劑的親核性：親核性需要與上面的鹼性相區別。鹼性是試劑對質子的親和能力，而親核性是試劑形成過渡態時，對碳原子的親和能力。一般來講，試劑的電負性、鹼性和可極化性越強，其親核性也越強，因此反應越快。實際上通常需要綜合考慮這幾個因素以及溶劑的影響。
- 溶劑：SN2反應在質子溶劑中進行時，一方面，溶劑化作用有利於離去基團的離去；另一方面，溶劑也會與親核試劑發生作用，使親核試劑與底物的接觸變得困難。最後的影響是這兩種因素的綜合結果。相對而言，極性非質子性分子很少包圍負離子，因此對SN2反應是有利的。
- 空間效應：立體阻礙性（含體積大的取代基）會使親核試劑的親核性下降從而導致反應變慢。雖然乙醇的酸性比叔丁醇強，但叔丁氧基負離子的親核性弱於乙氧基負離子，就是因為這個緣故。
- 空間效應：分子大小。分子越大，位阻增加，減慢反應。三級碳分子基本上沒可能發生反應。反應速度：（快）伯>仲>叔（慢）
反應動力學
[編輯]SN2屬於二級反應，決速步與兩個反應物的濃度相關：親核試劑[Nu−]和底物[RX]。
- r = k[RX][Nu−]
與此相對比的是單分子親核取代反應—SN1反應，親核取代反應的另一種機理。此類反應中，底物中的C-X鍵首先異裂為碳正離子和X−，是較慢的一步，然後親核試劑Nu−立即與碳正離子結合，得到含C-Nu鍵的產物。因此該反應的速率控制步驟只和底物的濃度有關，稱為單分子親核取代反應。
需要注意的是，SN1和SN2只是親核取代反應的兩個比較極端的機理，屬於理想情況。在因素如離子對的影響下，實際中的反應都會或多或少地兼具這兩者機理的成分，有些甚至難以歸類。至於反應按哪種機理進行的成分多一些，與具體的反應物結構、類型、溶劑、濃度、溫度、親核試劑、離去基團等因素都有很密切的關係。
E2競爭
[編輯]雙分子親核取代反應的一個副反應是E2消去反應：親核試劑表現鹼性，從底物的β-碳奪取氫離子，底物發生消去反應生成烯烴。SN2反應與E2反應的共存與競爭可通過以下實驗體現：[1]
上述是磺酸鹽負離子與溴代烷在氣相發生反應的結果。在水溶液中的趨勢是類似的，但還要考慮溶劑效應的影響。當反應物由溴乙烷變為異丁基溴時，位阻大大增加，因此產物也主要變為消除產物。此外，試劑的鹼性越強，也會使消去反應產物比例增大。若以鹼性更弱的苯甲酸根離子與異丁基溴進行上述反應，取代產物為55%，遠遠高於磺酸鹽負離子反應的15%。
另一種機理
[編輯]2008年時有人提出了SN2的另一種機理：「迂迴機理」（Roundabout mechanism）。化學家在藉助於「交叉分子束成像法」觀測氯離子和碘甲烷在氣相的反應時發現，當打出的氯離子具有足夠的速度時，反應後碘離子的能量總比預期的要少。根據理論分析推測，能量之所以有損失，是因為氯離子與甲基發生碰撞後，甲基圍繞碘原子需要進行迂迴的轉動，之後才有碘離子的離去以及氯甲烷的生成。[2][3][4]
參見
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Gas Phase Studies of the Competition between Substitution and Elimination Reactions Scott Gronert Acc. Chem. Res.; 2003; 36(11) pp 848 - 857; (Article) doi:10.1021/ar020042n
- ^ Imaging Nucleophilic Substitution Dynamics J. Mikosch, S. Trippel, C. Eichhorn, R. Otto, U. Lourderaj, J. X. Zhang, W. L. Hase, M. Weidemüller, and R. Wester Science 11 January 2008 319: 183-186 doi: 10.1126/science.1150238 (in Reports)
- ^ PERSPECTIVES CHEMISTRY: Not So Simple John I. Brauman (11 January 2008) Science 319 (5860), 168. doi:10.1126/science.1152387
- ^ Surprise From SN2 Snapshots Ion velocity measurements unveil additional unforeseen mechanism Carmen Drahl Chemical & Engineering News January 14, 2008 Volume 86, Number 2 p. 9 ，含錄像。http://pubs.acs.org/cen/news/86/i02/8602notw1.html （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）