我所揭示Fˉ+(CH3)3CI反应中SN2通道消失的本质

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　　近日，我所分子反应动力学国家重点实验室傅碧娜研究员、张东辉院士团队揭示了气相反应Fˉ + (CH₃)₃CI中双分子亲核取代反应（S_N2）通道消失的本质，为理解亲核取代反应提供了一个不同于教科书的新视角。

　　S_N2是有机化学教科书上的经典反应，也是合成化学中最重要和最实用的一类工具反应。因此，S_N2反应的机理研究一直以来都受到科学家们的广泛关注。Fˉ + RCI → FCR + Iˉ型气相反应已经得到了许多研究，其中包括最近的一些高分辨交叉分子束实验。研究发现，随着中心碳级数的增大：-CH₃ → -CH₂CH₃ → -CH(CH₃)₂ → -C(CH₃)₃，S_N2反应通道逐渐变弱至消失，与之竞争的双分子消除反应（E2）则逐渐成为唯一主导通道。其中的原因被解释为进攻方受到的“空间位阻”变大，无法有效地进攻中心碳原子，这一观点与传统有机化学教科书一致。虽然Fˉ + (CH₃)₃CI反应中S_N2的势垒比E2稍高，但是它的放热比E2多了将近1eV。因此基于这些事实，Fˉ + (CH₃)₃CI中S_N2的反应性被完全抑制的根本原因仍然存疑。

　　本工作中，研究团队从原子分子水平和微观动力学角度揭示了这类S_N2反应被完全抑制的原因。研究团队利用基本不变量—神经网络方法构建了15原子气相反应体系Fˉ + (CH₃)₃CI的精确的全维（39维）势能面，这也是迄今为止已报道的涉及的最大反应体系的全维全域势能面。基于这个势能面，该团队开展了精确的动力学模拟，计算结果重现了交叉分子束实验的散射角分布和平动能分布；同时，S_N2的反应截面相比E2基本可以忽略这一理论结果也与实验一致，证明了全维势能面和动力学模拟的准确性。

　　进一步地，该团队发现采用修饰势能面的方法彻底阻断E2通道后，计算得到的S_N2反应截面增大至E2同一量级。这个巨大反差表明了抑制S_N2反应的本质原因是叔丁基碘(CH₃)₃CI中甲基与Fˉ的高反应性而并非中心C的空间位阻。为了进一步确认，该团队按照相同的思路探究了Clˉ + (CH₃)₃CI 在阻断E2通道前后S_N2反应截面的变化，得出了相同的结论。

　　该研究澄清了Fˉ/Clˉ + (CH₃)₃CI 气相反应中，抑制S_N2反应的原因不是空间位阻效应，而是E2的竞争因素，即甲基中的H原子与亲核试剂太容易反应导致。该工作为如何提高有机反应中S_N2的产率提供了新思路，即除了改变中心原子周围空间位阻的传统做法，还可以通过抑制中心原子所连取代基的反应性来改善。

　　相关成果以“Unexpected Steric Hindrance Failure in the Gas Phase Fˉ + (CH₃)₃CI S_N2 Reaction”为题，于近日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所1113组博士后卢晓晓和商辰尧博士。该工作得到了国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划等项目的支持。（文/图 卢晓晓）

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32191-6