SN2(N)-like和SN2(P)-like与传统SN2反应的对比分析

王运滨

(沈阳化工大学 理学院， 辽宁 沈阳 110142)

近几年，从双分子取代(SN2)反应衍生出来的类SN2(SN2-like)反应受到了人们的关注.以N和P为中心的类SN2反应存在于实际的生物体内，如氨基是分子识别中通常的作用位点，因此，类SN2(SN2-like)反应在现代有机化学和生物化学发展中起到了非常重要的作用[1-9].理论和实验大多聚焦在研究传统的SN2反应，而对SN2-like反应研究较少.一些理论和实验对SN2-like反应进行了研究，例如研究了SN2-like反应的氢键络合物[6]，根据分子形貌理论给出了背面进攻的SN2-like反应的电子转移图像[9].本文研究HF进攻的以N和P为中心的SN2-like反应和F-进攻的SN2反应，反应机理如下：

NH3…H2F2+H1F1，

(1)

PH3…H2F2+H1F1，

(2)

NH2F1+F2-→NH2F2+F1-，

(3)

PH2F1+F2-→PH2F2+F1-.

(4)

分析固定点几何构型、势能面轮廓、NPA电荷分布，讨论最优反应通道，为包含NH3—和PH3—基团的生物化学研究奠定理论基础.

1 能量计算

表1 各种能量的计算结果

2 结果和讨论

2.1 结构分析

反应路径上络合物和过渡态的几何构型如图1和图2(图中数值单位均为nm)所示.其中：图a 描述了F-前面和背面进攻的SN2(N)反应的络合物或过渡态的几何构型；图b 描述了F-前面和背面进攻的SN2(P)反应的络合物或过渡态的几何构型；图c 描述了HF前面和背面进攻的SN2(N)-like反应的络合物或过渡态的几何构型；图d 描述了HF前面和背面进攻的 SN2(P)-like 反应的络合物或过渡态的几何构型.

图1 络合物几何构型

图2 过渡态几何构型

通过计算得到的数值与实验[10]和其他理论计算值[11]符合很好.与实验值相比，键长的偏差小于0.002 nm；与MP2/6-31+G(d) level 方法计算的理论值相比[11]，键长的偏差小于0.003 nm.HF前面进攻具有保留构型以N和P为反应中心的SN2-like反应,都产生了以三原子为中心的过渡态，与F-进攻SN2反应类似，从电子分布的角度分析他们是等电子的，从反应路径上固定点几何构型的角度分析他们是等结构.HF背面进攻以N和P为反应中心的类SN2-like反应，经由Walden翻转，HF 进攻的SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反应及F-进攻的SN2(N) 反应产生了以三原子为中心的过渡态，而F-进攻的SN2(P)反应产生的是过渡络合物.

2.2 能量分析

SN2(N)、SN2(P)、SN2(N)-like、SN2(P)-like四个反应的势能面轮廓如图3～图6所示.图3给出的是F-前面和背面进攻的SN2(N)反应的势能面轮廓.由图3可以看出：背面进攻路径全局活化能低于前面进攻路径的，背面进攻翻转路径是优选的反应路径.图4给出的是F-前面和背面进攻的SN2(P)反应的势能面轮廓.由图4可以看出:背面进攻路径全局活化能低于前面进攻路径的，背面进攻翻转路径是优选的反应路径.

图3 SN2(N)反应势能面

图4 SN2(P)反应势能面

图5给出的是HF前面和背面进攻SN2(N)-like反应的势能面轮廓.由图5可以看出:前面进攻路径全局活化能低于背面进攻路径的，前面进攻保留路径是优选的反应路径.图6给出的是 HF 前面和背面进攻的 SN2(P)-like反应的势能面轮廓.由图6可以看出:前面进攻路径全局活化能低于背面进攻路径的，前面进攻保留路径是优选的反应路径.F-背面进攻的SN2(N)反应，通过高斯软件计算的中心活化能值是-50.53 kJ/mol，与其他理论值-55.8 kJ/mol[11]一致； 采用 CCSD(T)/aug-cc-pVTZ方法计算的络合能是-118.60 kJ/mol，与其他理论值-114.0 kJ/mol[11]符合的很好.背面进攻的SN2(N)-like反应，通过高斯软件计算的中心活化能是10.97 kJ/mol，与其他理论值10.3 kJ/mol相符合[6].

图5 SN2(N)-like 反应势能面

图6 SN2(P)-like反应势能面

前面进攻反应的过程中，络合物的稳定性降低的次序是[NH2F1+F2-]、[PH2F1+F2-]、[NH3…H1F1+H2F2]、[PH3…H1F1+H2F2]；而背面进攻的反应过程中，络合物的稳定性降低的次序是[NH2F1+F2-]、[PH3…H1F1+H2F2]、[NH3…H1F1+H2F2].

HF 和 F-前面进攻的SN2(N)-like反应的中心活化能比背面进攻的高，而HF 进攻的SN2(P)-like反应前面进攻的中心活化能比背面进攻的低，表明从反应前络合物到过渡态反应过程中，HF 前面进攻的SN2(P)-like的反应比背面进攻的反应快，而SN2(N)-like反应则是背面进攻的反应比前面进攻的快.HF 进攻的SN2(N)-like反应无论是前面进攻还是背面进攻，其反应中心活化能均比对应的F-进攻的反应低，而F-进攻SN2(P)-like比对应的HF进攻的SN2(P)-like低.这说明从反应前络合物到过渡态，HF进攻的前面和背面的SN2(N)-like反应比相应的F-进攻的反应快，而F-进攻SN2(P)-like反应前面进攻的反应比背面进攻的反应快.

分析全局活化势垒. HF进攻的SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反应，前面进攻的全局活化能均低于背面进攻的全局活化能；而F-进攻的SN2(N) 和 SN2(P)反应，背面进攻的反应均比前面进攻的快.这说明，对于气相中的反应，HF进攻的SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反应是可能的优选反应路径.这是非常重要的，因为NH3— 和PH3—基团存在于实际的生物体内，因此，在分子识别中，前面进攻的路径是最可能的作用方式.

2.3 电荷分析

根据密度泛函理论——电子密度决定了体系的性质[12]可知，体系的电荷分布在解释和预测分子性质方面起到了重要作用[13].过渡态时中心原子的电荷分布如表2所示.

表2 过渡态时中心原子NPA电荷分布

对于HF进攻的 SN2(N)-like 和 SN2(P)-like反应，前面和背面进攻路径的中心原子(N或者P)的电荷差分别是0.055 3和 0.253 0，而他们对应的全局活化能的差分别是 -20.75 kJ/mol和 -119.00 kJ/mol(见表1).而F-进攻 SN2(N)和SN2(P)反应，前面和背面进攻路径的中心原子(N或者P)的电荷差分别是 -0.003 3和0.054 6，全局活化能差分别是213.21 kJ/mol和 91.87 kJ/mol(见表1).对于HF前面进攻的 SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反应，前面进攻比背面进攻路径的反应中心原子负电荷更少，而前面进攻路径的活化能比背面进攻路径的更低.F-进攻的SN2(N)反应，背面进攻路径的中心原子(N)负电荷比前面进攻路径的少，因而背面路径的活化能比前面路径的更低.F-进攻 SN2(P)反应，前面路径中心原子的正电荷比背面进攻路径的更多，而他的全局活化能背面路径比前面路径的低.这可能是因为其背面路径发生的是过渡络合物而非过渡态.

3 结 论

对比分析了HF及F-进攻的以N和P为中心的SN2反应，从几何构型、势能面、电荷分布讨论可知：HF进攻的以N和P为中心的SN2-like反应，前面路径活化能低于背面路径的活化能，反应偏爱前面进攻的保留路径机理，与传统的SN2反应不同.这说明在包含NH3—和PH3—基团的络合物的SN2-like反应，在有机生物实验研究中应该优先研究前面进攻的作用方式.本研究为实验研究提供了预见性及理论基础.