SN2(N)-like和SN2(P)-like與傳統SN2反應的對比分析

王運濱

(沈陽化工大學 理學院， 遼寧 沈陽 110142)

近幾年，從雙分子取代(SN2)反應衍生出來的類SN2(SN2-like)反應受到了人們的關注.以N和P為中心的類SN2反應存在于實際的生物體內，如氨基是分子識別中通常的作用位點，因此，類SN2(SN2-like)反應在現代有機化學和生物化學發展中起到了非常重要的作用[1-9].理論和實驗大多聚焦在研究傳統的SN2反應，而對SN2-like反應研究較少.一些理論和實驗對SN2-like反應進行了研究，例如研究了SN2-like反應的氫鍵絡合物[6]，根據分子形貌理論給出了背面進攻的SN2-like反應的電子轉移圖像[9].本文研究HF進攻的以N和P為中心的SN2-like反應和F-進攻的SN2反應，反應機理如下：

NH3…H2F2+H1F1，

(1)

PH3…H2F2+H1F1，

(2)

NH2F1+F2-→NH2F2+F1-，

(3)

PH2F1+F2-→PH2F2+F1-.

(4)

分析固定點幾何構型、勢能面輪廓、NPA電荷分布，討論最優反應通道，為包含NH3—和PH3—基團的生物化學研究奠定理論基礎.

1 能量計算

表1 各種能量的計算結果

2 結果和討論

2.1 結構分析

反應路徑上絡合物和過渡態的幾何構型如圖1和圖2(圖中數值單位均為nm)所示.其中：圖a 描述了F-前面和背面進攻的SN2(N)反應的絡合物或過渡態的幾何構型；圖b 描述了F-前面和背面進攻的SN2(P)反應的絡合物或過渡態的幾何構型；圖c 描述了HF前面和背面進攻的SN2(N)-like反應的絡合物或過渡態的幾何構型；圖d 描述了HF前面和背面進攻的 SN2(P)-like 反應的絡合物或過渡態的幾何構型.

圖1 絡合物幾何構型

圖2 過渡態幾何構型

通過計算得到的數值與實驗[10]和其他理論計算值[11]符合很好.與實驗值相比，鍵長的偏差小于0.002 nm；與MP2/6-31+G(d) level 方法計算的理論值相比[11]，鍵長的偏差小于0.003 nm.HF前面進攻具有保留構型以N和P為反應中心的SN2-like反應,都產生了以三原子為中心的過渡態，與F-進攻SN2反應類似，從電子分布的角度分析他們是等電子的，從反應路徑上固定點幾何構型的角度分析他們是等結構.HF背面進攻以N和P為反應中心的類SN2-like反應，經由Walden翻轉，HF 進攻的SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反應及F-進攻的SN2(N) 反應產生了以三原子為中心的過渡態，而F-進攻的SN2(P)反應產生的是過渡絡合物.

2.2 能量分析

SN2(N)、SN2(P)、SN2(N)-like、SN2(P)-like四個反應的勢能面輪廓如圖3～圖6所示.圖3給出的是F-前面和背面進攻的SN2(N)反應的勢能面輪廓.由圖3可以看出：背面進攻路徑全局活化能低于前面進攻路徑的，背面進攻翻轉路徑是優選的反應路徑.圖4給出的是F-前面和背面進攻的SN2(P)反應的勢能面輪廓.由圖4可以看出:背面進攻路徑全局活化能低于前面進攻路徑的，背面進攻翻轉路徑是優選的反應路徑.

圖3 SN2(N)反應勢能面

圖4 SN2(P)反應勢能面

圖5給出的是HF前面和背面進攻SN2(N)-like反應的勢能面輪廓.由圖5可以看出:前面進攻路徑全局活化能低于背面進攻路徑的，前面進攻保留路徑是優選的反應路徑.圖6給出的是 HF 前面和背面進攻的 SN2(P)-like反應的勢能面輪廓.由圖6可以看出:前面進攻路徑全局活化能低于背面進攻路徑的，前面進攻保留路徑是優選的反應路徑.F-背面進攻的SN2(N)反應，通過高斯軟件計算的中心活化能值是-50.53 kJ/mol，與其他理論值-55.8 kJ/mol[11]一致； 采用 CCSD(T)/aug-cc-pVTZ方法計算的絡合能是-118.60 kJ/mol，與其他理論值-114.0 kJ/mol[11]符合的很好.背面進攻的SN2(N)-like反應，通過高斯軟件計算的中心活化能是10.97 kJ/mol，與其他理論值10.3 kJ/mol相符合[6].

圖5 SN2(N)-like 反應勢能面

圖6 SN2(P)-like反應勢能面

前面進攻反應的過程中，絡合物的穩定性降低的次序是[NH2F1+F2-]、[PH2F1+F2-]、[NH3…H1F1+H2F2]、[PH3…H1F1+H2F2]；而背面進攻的反應過程中，絡合物的穩定性降低的次序是[NH2F1+F2-]、[PH3…H1F1+H2F2]、[NH3…H1F1+H2F2].

HF 和 F-前面進攻的SN2(N)-like反應的中心活化能比背面進攻的高，而HF 進攻的SN2(P)-like反應前面進攻的中心活化能比背面進攻的低，表明從反應前絡合物到過渡態反應過程中，HF 前面進攻的SN2(P)-like的反應比背面進攻的反應快，而SN2(N)-like反應則是背面進攻的反應比前面進攻的快.HF 進攻的SN2(N)-like反應無論是前面進攻還是背面進攻，其反應中心活化能均比對應的F-進攻的反應低，而F-進攻SN2(P)-like比對應的HF進攻的SN2(P)-like低.這說明從反應前絡合物到過渡態，HF進攻的前面和背面的SN2(N)-like反應比相應的F-進攻的反應快，而F-進攻SN2(P)-like反應前面進攻的反應比背面進攻的反應快.

分析全局活化勢壘. HF進攻的SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反應，前面進攻的全局活化能均低于背面進攻的全局活化能；而F-進攻的SN2(N) 和 SN2(P)反應，背面進攻的反應均比前面進攻的快.這說明，對于氣相中的反應，HF進攻的SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反應是可能的優選反應路徑.這是非常重要的，因為NH3— 和PH3—基團存在于實際的生物體內，因此，在分子識別中，前面進攻的路徑是最可能的作用方式.

2.3 電荷分析

根據密度泛函理論——電子密度決定了體系的性質[12]可知，體系的電荷分布在解釋和預測分子性質方面起到了重要作用[13].過渡態時中心原子的電荷分布如表2所示.

表2 過渡態時中心原子NPA電荷分布

對于HF進攻的 SN2(N)-like 和 SN2(P)-like反應，前面和背面進攻路徑的中心原子(N或者P)的電荷差分別是0.055 3和 0.253 0，而他們對應的全局活化能的差分別是 -20.75 kJ/mol和 -119.00 kJ/mol(見表1).而F-進攻 SN2(N)和SN2(P)反應，前面和背面進攻路徑的中心原子(N或者P)的電荷差分別是 -0.003 3和0.054 6，全局活化能差分別是213.21 kJ/mol和 91.87 kJ/mol(見表1).對于HF前面進攻的 SN2(N)-like 和 SN2(P)-like 反應，前面進攻比背面進攻路徑的反應中心原子負電荷更少，而前面進攻路徑的活化能比背面進攻路徑的更低.F-進攻的SN2(N)反應，背面進攻路徑的中心原子(N)負電荷比前面進攻路徑的少，因而背面路徑的活化能比前面路徑的更低.F-進攻 SN2(P)反應，前面路徑中心原子的正電荷比背面進攻路徑的更多，而他的全局活化能背面路徑比前面路徑的低.這可能是因為其背面路徑發生的是過渡絡合物而非過渡態.

3 結 論

對比分析了HF及F-進攻的以N和P為中心的SN2反應，從幾何構型、勢能面、電荷分布討論可知：HF進攻的以N和P為中心的SN2-like反應，前面路徑活化能低于背面路徑的活化能，反應偏愛前面進攻的保留路徑機理，與傳統的SN2反應不同.這說明在包含NH3—和PH3—基團的絡合物的SN2-like反應，在有機生物實驗研究中應該優先研究前面進攻的作用方式.本研究為實驗研究提供了預見性及理論基礎.