雙分子親和性取代反應Bimolecular Nucleophilic Substitution(SN2)

有機化學的基礎228

1.      協同親核性取代反應Concerted nucleophilic substitution reaction，簡稱「SN₂反應 SN₂ reaction 」。「SN」指整個反應是「親核性取代」；「2」指「速率決定步驟」涉及2種化合物。

2.      「協同親核性取代反應」的第一個例子，Diels-Alder reaction協同反應：

3.      另一個協同反應是「自交換反應self-exchange reaction」，這個SN2反應，有1個「溴離子」與「溴化甲烷methyl bromide」，形成新的「碳溴鍵C－Br」，造成分子原本的「碳溴鍵 C－Br」斷裂。

4.      在這個「雙分子親核性取代反應」（SN2反應），靠近分子的「溴離子Br^－」（親核性試劑 the nucleophile）與「碳C」形成「化學鍵」，同時，反應物「溴化甲烷」的「化學鍵」斷裂。

5.      因為「化學鍵」的「形成」與「斷裂」，是在1個步驟之內同時發生，沒有形成「中間產物」，所以，這個反應是「協同的concerted」。

6.      在這個反應裡，「反應物」和「產物」一樣，沒有產生任何的「化學變化」（除非參與反應的「溴原子們」彼此是不同的「同位素」），所以，這個反應是「熱中性的thermoneutral」。

7.      我們用全箭頭指出「溴離子」上的1組「孤對電子」（2個電子）往「碳」方向移動，最後形成「碳—溴」σ鍵，然而，新形成的「化學鍵」並沒有立刻打斷分子原本的「碳—溴」鍵，而是在極為短暫的時間中，變成「碳」的價電殼層同時有10個「電子」。

8.      因此，第二個全箭頭指出，「反應物」分子原本在「碳—溴」的2個價電子，必須從2「原子」間的「鍵結軌域」，移到「溴」的「未鍵結軌域」，成為「產物溴離子」上的「孤對電子」，然後這個「化學鍵」才斷裂。

9.      這2個步驟，(1)化學鍵的形成，(2)化學鍵的斷裂，同時發生；沒有形成「中間產物」。

10.  在過渡狀態，「碳」與「靠近的溴」和「準備離去的溴」形成稍微互相鍵結的類化學鍵（partially bonded ）。

11.  我們用虛線顯示，稍微互相鍵結的類化學鍵，並用方形引號指出這是「過渡狀態」。這個過渡狀態一點都不穩定，而且無法單獨離析出來。

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》

 

徐弘毅：

1.      協同親核性取代反應Concerted nucleophilic substitution reaction，「SN₂反應 SN₂ reaction 」。

2.      協同：意思是「單步驟反應」，「反應物」直接變成「產物」，過程沒有「中間產物」。

3.      SN：「親核性取代」反應，某種帶負電荷的分子或原子「親核性試劑」，攻擊分子上帶正電荷的原子，造成部分原子脫離「離去基」，然後「親核性試劑」，順勢取代「離去基」位置。

4.      2：「雙分子」，指這個反應是由2種「化合物」碰撞產生的，這二種化合物的碰撞情形，是決定整個「反應速率」的關鍵。

5.      Diels-Alder reaction協同反應：

6.      這個反應應該比較像「加成反應」。「加成反應」的定義是，2個反應物分子結合形成1個產物分子，這1個「產物」分子含有2個「反應物」分子的所有原子。

7.      教科書定義為「取代反應」，可能是因為，這二個分子碰撞反應的時候，把原本的π鍵，取代成為σ鍵。

8.      這個「單步驟反應」的結合，是靠「乙烯」和「丁二烯」二個反應物分子，各自提供在「π系統」的2個「電子」作為鍵結的「價電子」，而產生新的「化合物」。

9.      由於這個反應是，「反應物」在π系統的2個「電子」轉移位置，進入最高能量的「過渡狀態」後，就直接變成「產物」，沒有任何「中間產物」，因此，這是「協同反應」。

10.  由「乙烯」挾帶π系統「負電荷的碳原子」，攻擊「丁二烯」帶「正電荷」的「碳原子」那一端；同時，「丁二烯」挾帶π系統「負電荷的碳原子」，攻擊「乙烯」帶「正電荷」那一端的「碳原子」，這種行為是「親核性」，所以稱為「SN」。（如果攻擊與被攻擊的主角顛倒，應該也可以說成是「親電性」）

11.  「2 ：雙分子」指決定速率的步驟，由「乙烯」和「丁二烯」2個分子碰撞而成。

12.  「溴離子」與「溴化甲烷methyl bromide」的自交換反應：

13.  這是「取代反應」。因為，「溴化甲烷」原本的「溴」，被「溴離子」取代。取代反應的定義，一個分子的1個「原子」或「原子群」，被其他「原子」或「原子群」所取代。這是「S」的意思：substitution取代。

14.  「溴離子」撞擊到「溴化甲烷」以後，立刻進入能量最高的「過渡狀態」，「碳原子」同時與2個「溴」形成「類化學鍵 partial bond」，然後就變成「產物」。由於沒有「中間產物」，所以可以確定，這是「協同反應」，concerted。

15.  「溴離子」帶「負電荷」，攻擊「溴化甲烷」帶正電荷的「碳」，這個行為顯示攻擊者「溴離子」是「親核性的nucleophile」，這是簡寫「N」的意思。

16.  速率決定步驟，牽涉二種分子：「溴離子」與「溴化甲烷」的碰撞，所以，這是「雙分子反應bimolecular」，簡寫「2」。