F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F的SN2异侧反应机理研究在有机合成中的应用

靳玲侠,闵锁田,张继林,杨佳红

（1.陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西省 汉中市　723001；2.勉县环境保护监测站，陕西 汉中　723001）



F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F的SN2异侧反应机理研究在有机合成中的应用

靳玲侠1,闵锁田1,张继林2,杨佳红1

（1.陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西省 汉中市723001；2.勉县环境保护监测站，陕西 汉中723001）

摘要：采用量子化学方法C BS-Q B3对F-+C H3(C H2)4O H体系的SN2反应机理进行了理论研究。研究结果表明，标题反应的活化吉布斯自由能为202.44 kJ·m ol-1，反应不易进行；通过对比带有不同烷基链的F-+C H3O H体系，表明烷基链的增长明显增大了F-+C H3O H的能垒，从而抑制了反应的进行。

关键词：醇；卤代烷；SN2反应；反应机理

卤代烷是有机合成中的一类重要化合物，可用于各种官能团的转变以及碳碳键的形成，因此目前对其制备过程和它的亲核取代反应方面开展了较为广泛的研究[1-4]。其中SN2反应是亲核取代反应中的重要类型之一，并在现代物理有机化学的发展中起着重要作用。在有机化学反应中，CH3X+X-是SN2双分子亲核取代中最重要、最典型的反应之一。Schaef er等[5-8]对CH3X+X-（X=F, Cl,CN,OH,SH,NH2,PH2）的SN2反应做了M arcus理论分析；Regan等[9]对SN2反应的立体化及溶剂化效应进行了详细研究。分析已有文献可知，取代基对有机化合物的物理性质、化学性质均有重要的影响，因此推断取代基也可能影响CH3X的反应活性。本文以烷基取代基为例，对烷基取代的CH3X+X-的SN2反应进行了详细的计算研究。本文在前人工作的基础上研究了CH3（CH2）4OH与F-的SN2反应机理，得到了各物种的详细信息，同时比较了CH3（CH2）4OH及CH3OH两个体系能垒差异及烷基取代对反应能垒的影响。

1　计算方法

本文采用CBS-QB3组合方法[10-12]对F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F的SN2反应机理进行研究。高精度的CBS-QB3是一个组合方法，总共包含五步计算过程，采用CBSB7基组进行几何构型优化和频率计算，采用CCSD(T)、M P4SDQ、M P2方法及CBS外推法进行单点能计算。在B3LYP/CBSB7水平上对反应路径上各驻点 (反应物、中间体、过渡态、复合物及产物)进行几何构型优化，并在相同水平上进行内禀反应坐标（IRC）[13]分析，以确认驻点性质和路径连接的合理性。以上全部工作采用Gaussi an 03程序[14]完成。

2　结果与讨论

F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F的 SN2反应存在两种反应机理，分别为同侧和异侧取代反应。如表1所示，F-同侧进攻CH3(CH2)4OH时，反应空间位阻较大，且逆反应能垒远小于正反应能垒，因此本文只讨论SN2异侧取代反应机理。图1列出了在B3LYP/CBSB7水平上优化的各反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型。图2和图3分别列出了反应过程中键长及键角随反应路径s的变化曲线图。图4给出标题反应的势能面剖面图。表1列出了不同驻点物种的相对自由能 (ΔG)和活化自由能(ΔG≠)及过渡态虚频(v)。表2给出了F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F的相关热力学信息。为了便于比较，表1和图4括号中也给出了F-+CH3OH体系的相关信息。

2.1驻点构型

如图1所示，首先F-与CH3(CH2)4OH中的H 1和H 4形成氢键复合物IM,此过程释放出163.70 kJ·m ol-1的能量。从反应物复合物出发，经过渡态TS向产物PC的转化伴随C1-O键的断裂及C1-F键的生成。反应过程中C1-F键长变化为：0.2975 nm(IM)→0.1818 nm(TS)→0.1434 nm(PC)。O-C1键长变化为0.1388 nm(IM)→0.2032 nm (TS)→0.2913 nm(PC)。在过渡态TS中，欲断裂的C1-O键长 (0.2032 nm)已经拉长至正常 C-O (0.1430 nm)的1.42倍，即将形成的C1-F(0.1818 nm)键长是正常C-F(0.1403 nm)的1.30倍，键长变化比率为L=δr[C1-O]/δr[C1-F]≈1.45，已基本处于C1-O键断裂与C1-F键生成的状态，是一种类产物过渡态。O与H 2、H 3和C1几乎在同一个平面上。二面角C2C1H 1H 2为173.9°，四个原子几乎共面。因此，F-沿O-H 1方向从异侧进攻C1原子，能引起C1H 1H 2基团的翻转，生成CH3(CH2)4F，同时OH-远离C1。过渡态TS对应唯一虚频值为496.61%i cm-1(表1)，对应于OH-的离去与F-靠近C1，即F、C1和O同时振动，引起亚甲基基团往复翻转，是一个典型的SN2型异侧取代反应。

图1　C BS-Q B3水平上F-+C H3（C H2）4O H→O H-+C H3（C H2）4F中各驻点物种的几何结构及主要键长变化（键长：nm）

表1　F-+C H3(C H2)4O H(C H3O H)体系SN2异侧、同侧取代反应中各驻点物种相对吉布斯自由能(ΔG)，活化吉布斯自由能(ΔG≠)及过渡态虚频(v)

图2　键长随反应路径S的变化

图3　键角随反应路径S的变化

2.2反应机理研究

在CBS-QB3水平上，以步长为0.06 am u1/2· bohr沿TS向IM方向及以步长为0.06 am u1/2·bohr 沿PC方向作内禀坐标（IRC）分析，键长、键角沿反应路径s的变化如图2和图3所示。从图2中可以看出，从s=-2.0 am u1/2·bohr开始，C-O的键长增大，到s=1.0 am u1/2·bohr时，已增加到0.2389 nm，说明C-O键已经断裂。F与C从远离的状态开始逐渐接近，在s=1.0 am u1/2·bohr时，距离缩短为0.1508 nm，逐渐接近于正常C-F键长(0.1403 nm)，说明C-F键开始形成。

从图3中可以看出，在s=-1.5am u1/2·bohr时，∠FC1C2为109.7°，∠OC1C2为80.5°，随着反应的进行，∠FC1C2迅速减小，∠OC1C2迅速增大，过渡态时，∠FC1C2由IM中的113.4°减小到TS中的96.1°，在s=0 am u1/2·bohr附近时，∠FC1C2与∠OC1C2都已经接近于90.0°，中心碳原子呈平面构型，∠H 2C1H 3=118.7°,∠H 2C1C2=119.6°，即C取sp2杂化。当s=1.0 am u1/2·bohr时，∠FC1H 3 为105.7°，∠OC1C2为99.9°。结合键长、键角随反应路径s的变化可说明，反应过程中，反应中心C1的构型朝O方向翻转,TS是背式进攻C1的氟、羟基自交换反应的过渡态[15]。

2.3反应途径的能量变化及热力学信息

如表2所示，在298.15 K下，F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F反应吉布斯自由能、焓以及熵值的变化值均大于0。同时，从图4势能面剖面图可以看出，此反应的能垒从反应物出发为202.44 kJ·m ol-1，且为吸热反应。因此，无论从热力学还是动力学因素考虑，异侧取代OH-不易进行。此外，F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F反应通道在CBS-QB3水平上的势能剖面如图4所示，逆反应的势垒为53.27 kJ·m ol-1，低于正反应能垒。因此在常温常压下，逆反应较正反应易于进行。

图4　F-+C H3(C H2)4O H(C H3O H)→O H-+C H3(C H2)4F(C H3F)的势能剖面图

表2　F-+C H3(C H2)4O H(C H3O H)体系在298 K的吉布斯自由能(ΔG)、热焓(ΔH)以及对应的熵值(ΔS)

2.4烷基链及卤素元素(C l-)对F-+C H3(C H2)4O H的影响

如表3所示，随着烷基链的增长，电负性依次减小，即给电子能力依次增强，排斥作用较小可忽略，各SN2异侧取代反应的能垒分别为103.03、201.23、203.05、204.69及202.44 kJ·m ol-1，表明烷基取代对F-+CH3OH反应的活化自由能存在重要影响。从表3也可看出，随着烷基数目的增加，F-+CH3(CH2)4OH(CH3CH2OH、CH3(CH2)2OH、CH3(CH2)3OH)异侧取代的活化自由能差异极小。

如表3所示，通过对Cl-+CH3(CH2)4OH及Cl-+CH3OH SN2异侧取代反应机理的研究，计算结果也表明随着烷基链的增长，Cl-+CH3OH SN2异侧取代反应能垒明显减小。上述两种计算结果均表明，烷基链增长抑制了反应的进行的结论适用于其它烷基链长的醇和其它卤族元素。

表 3　SN2异侧取代(C H3O H、C H3C H2O H、C H3(C H2)2O H、C H3(C H2)3O H、C H3(C H2)4O H)反应中各驻点物种相对吉布斯自由能(ΔG)

3　结论

本文通过CBS-QB3组合方法对F-+CH3(CH2)4OH→OH-+CH3(CH2)4F的SN2型异侧取代反应机理的详细计算研究，可得出如下结论：F-异侧取代OH-所需活化能为202.44 kJ·m ol-1的能量，且为吸热反应，因此，无论从热力学还是动力学因素考虑，异侧取代OH-不易进行；烷基链的增长明显增大了F-+CH3OH的能垒，抑制了反应的进行。该结论适用于其它烷基链长的醇和其它卤族元素。

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doi：10．13752／j．issn．1007－2217．2016．02．005

收稿日期：2016－03－31