近日，我所分子反應動力學國家重點實驗室傅碧娜研究員、張東輝院士團隊揭示了氣相反應Fˉ + (CH3)3CI中雙分子親核取代反應（SN2）通道消失的本質，為理解親核取代反應提供了一個不同于教科書的新視角。
SN2是有機化學教科書上的經典反應，也是合成化學中最重要和最實用的一類工具反應。因此，SN2反應的機理研究一直以來都受到科學家們的廣泛關注。Fˉ + RCI → FCR + Iˉ型氣相反應已經得到了許多研究，其中包括最近的一些高分辨交叉分子束實驗。研究發現，隨著中心碳級數的增大：-CH3 → -CH2CH3 → -CH(CH3)2 → -C(CH3)3，SN2反應通道逐漸變弱至消失，與之競爭的雙分子消除反應（E2）則逐漸成為唯一主導通道。其中的原因被解釋為進攻方受到的“空間位阻”變大，無法有效地進攻中心碳原子，這一觀點與傳統有機化學教科書一致。雖然Fˉ + (CH3)3CI反應中SN2的勢壘比E2稍高，但是它的放熱比E2多了將近1eV。因此基于這些事實，Fˉ + (CH3)3CI中SN2的反應性被完全抑制的根本原因仍然存疑。
本工作中，研究團隊從原子分子水平和微觀動力學角度揭示了這類SN2反應被完全抑制的原因。研究團隊利用基本不變量—神經網絡方法構建了15原子氣相反應體系Fˉ + (CH3)3CI的精確的全維（39維）勢能面，這也是迄今為止已報道的涉及的最大反應體系的全維全域勢能面?；谶@個勢能面，該團隊開展了精確的動力學模擬，計算結果重現了交叉分子束實驗的散射角分布和平動能分布；同時，SN2的反應截面相比E2基本可以忽略這一理論結果也與實驗一致，證明了全維勢能面和動力學模擬的準確性。
進一步地，該團隊發現采用修飾勢能面的方法徹底阻斷E2通道后，計算得到的SN2反應截面增大至E2同一量級。這個巨大反差表明了抑制SN2反應的本質原因是叔丁基碘(CH3)3CI中甲基與Fˉ的高反應性而并非中心C的空間位阻。為了進一步確認，該團隊按照相同的思路探究了Clˉ + (CH3)3CI 在阻斷E2通道前后SN2反應截面的變化，得出了相同的結論。
該研究澄清了Fˉ/Clˉ + (CH3)3CI 氣相反應中，抑制SN2反應的原因不是空間位阻效應，而是E2的競爭因素，即甲基中的H原子與親核試劑太容易反應導致。該工作為如何提高有機反應中SN2的產率提供了新思路，即除了改變中心原子周圍空間位阻的傳統做法，還可以通過抑制中心原子所連取代基的反應性來改善。
相關成果以“Unexpected Steric Hindrance Failure in the Gas Phase Fˉ + (CH3)3CI SN2 Reaction”為題，于近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作的第一作者是我所1113組博士后盧曉曉和商辰堯博士。該工作得到了國家自然科學基金、遼寧省興遼英才計劃等項目的支持。（文/圖 盧曉曉）
