複習 親核性試劑取代反應機制 Review of Mechanisms of Nucleophilic Substitution

有機化學的基礎259

1.     協同（SN2）和多步驟（SN1）反應中，被攻擊的「反應物分子」的「碳原子」，位於「四面體」結構的中心。

2.     協同（SN2）和多步驟（SN1）二種反應，雖然都是「中心碳原子」原本的「取代基」，被「親核性試劑取代」，但是反應機制極為不同。

3.     【SN2反應機制 SN2 Mechanism】親核性協同取代反應，透過「背側攻擊 back-side attack」啟動反應機制：

4.     富含電子的親核性試劑（Nuc：^－），朝「碳原子」攻擊，攻擊的區域是「碳原子」與「離去基LG」離去方向相反的那一側，分子的官能基（離去基）離去的時候，只會帶走「C－LG」鍵上的電子（共價電子）。

5.     大部分的「離去基」是負電性強的「異質原子」，這些「離去基原子」直接與「碳」連結，SN2反應會造成與「碳」連接的「取代基」組態翻轉。

6.     因為在「過渡狀態」，「親核性試劑」和「載體」的「碳」會部分鍵結，所以，這個反應是「雙分子」（SN2的2是指「速率決定步驟」由2個分子一起決定），「雙分子反應」的「速率」取決於二種化合物的濃度，與這二種化合物的動力學。

Rate＝k[RL－G][：Nuc^－]

7.     【SN1反應機制 SN₁ Mechanism】另外一種「親核性取代反應機制」是「雙步驟」的「SN1反應」。在步驟1，「離去基」把「C－LG」鍵上的電子（共價電子）帶走離開，留下三角平面構造、「sp²－混成軌域」的「碳陽離子」。

8.     平面的「碳陽離子」很快地與「親核性試劑」反應，因為「親核性試劑」對「碳陽離子」平面兩側的攻擊速度一樣，所以，會出現二種「立體異構物stereoisomers」。

9.     因此，即使初始物質是單一種類的「鏡像異構物enantiomer」（它的對掌中心是進行取代反應的碳原子），SN1反應仍會產生「消旋產物racemic product」。

10. 「SN1反應機制」的「步驟1」，只有化學鍵斷裂，這個步驟無庸置疑是「速率決定步驟」。

11. 失去「離去基」之後，緊接著是速率比較快的「步驟2」，周遭環境的「親核性試劑」（：Nuc^－）提供一對「電子」與「碳陽離子」形成新的「σ鍵」。

12. 形成「碳陽離子」的「步驟1」（速率決定步驟）是「吸熱」，反應過程歷經「晚過渡狀態 late transition state」，「晚過渡狀態」具有「碳陽離子」的特性。

13. 所以，「C－LG」鍵在「過渡狀態」幾乎完全斷裂，造成「過渡狀態」具有「碳陽離子」的特性。

14. 「SN1反應」進行得順不順利，與「碳陽離子」的穩定度有直接的關係。

15. 因為「SN1反應」的「速率決定步驟」，只與「載體」有關，因此這是「單分子反應」（SN1的1指速率決定步驟只與1個分子有關）。

16. 「SN1」的「速率決定步驟」，不受「親核性試劑」的濃度的影響，只要觀察一種分子（化學鍵斷裂的分子/載體）的動力學。

17. 因此，「反應速率」取決於「載體」的濃度：

Rate＝k[RL－G]

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

徐弘毅：

1.     協同SN2和多步驟SN1反應的共同點：(1)「載體」被攻擊的點，都是四面體結構的「中心碳原子」。(2)中心碳原子的一個取代基，被「親核性試劑」取代。

2.     碳原子是四面體中心，代表碳與4個「取代基」鍵結，因此我們知道：

(1).這些「取代基」的大小會影響反應的進行。假如「烷基」大，有可能會阻礙「親核性試劑」靠近攻擊，但也可能幫助「離去基」順利脫離，不再回頭鍵結。

(2).「中心碳原子」連接的「取代基」有可能是「烷基」或「氫原子」。烷基數量愈多，「中間產物碳陽離子」或「過渡狀態」的穩度愈高，通常會愈有利於反應的進行。

3.     原則上，「極性溶劑」能溶解「極性物質」，「非極性溶劑」會溶解「非極性物質」。

4.     但是，要怎麼操控溶劑來使反應進行順利，要看整個反應機制中，特別需要溶劑穩定的化合物是「離去基」、「過渡狀態」、「中間產物」，還是「親核性試劑」，配合它們的性質做選擇

5.     協同SN2和多步驟SN1反應彼此的差異點是，它們的反應「過程」不同，也就是「反應機制」不同。

6.     協同SN2和多步驟SN1的差異性如下：

7.     SN2親核性協同取代反應，由「親核性試劑」背側攻擊來啟動反應。

8.     而在SN1親核性多步驟取代反應，「親核性試劑」與反應的啟動毫無關係，並且，對反應過程產生的「中間產物」，「親核性試劑」以兩側攻擊來使反應繼續進行。

9.     SN2親核性協同取代反應，會造成分子的組態翻轉。也就是分子的構造從某一種「鏡像異構物」，轉變為另一種「鏡像異構物」；如果本來是「R組態」，「背側攻擊」後會變成「S組態」；如果本來是「S組態」，「背側攻擊」後會變成「R組態」。

10. SN1親核性多步驟取代反應，即使反應物只有一種「鏡像異構物」，但最後反應會產生二種「鏡像異構物」，形成「消旋產物」。

11. SN2反應的「速率決定步驟」是「雙分子」，「親核性試劑」與「載體」二種反應物的濃度都會影響反應速率。

12. SN1反應的「速率決定步驟」只涉及「單一分子」，只有「載體」的濃度會影響反應速率。