今天給大家介紹的文章是最近發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 上的Origin of the α-Effect in SN2 Reactions，文章的通訊作者是阿姆斯特丹自由大學(xué)的Trevor A. Hamlin教授。
α-效應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中一類基本的現(xiàn)象，它是指在親核中心α位的帶有孤對(duì)電子的雜原子會(huì)使其親核性增加。在1962，Pearson和Edwards首次使用了α-效應(yīng)術(shù)語，來表示與Br?nsted型相關(guān)性（反應(yīng)勢(shì)能和質(zhì)子親和性相關(guān)，圖1）的向下偏差。隨后α-效應(yīng)在多個(gè)親核反應(yīng)中被發(fā)現(xiàn)，其中α-效應(yīng)的大小很大程度上取決于所研究的反應(yīng)類型和α-親核試劑的結(jié)構(gòu)。
圖1. Br?nsted型相關(guān)性以及α-效應(yīng)
盡管有大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，α-效應(yīng)的成因仍然爭論不休。許多理論比如基態(tài)失穩(wěn)、過渡態(tài)穩(wěn)定、熱力學(xué)產(chǎn)物穩(wěn)定等被提出。基態(tài)失穩(wěn)理論認(rèn)為，孤對(duì)電子之間的電子排斥力使得親核試劑具有更高的HOMO能量，使其具有更強(qiáng)的活性。然而，這種電子機(jī)制也應(yīng)該增加堿度，因此不能完全解釋α-效應(yīng)。還有其他理論通過過渡態(tài)中雜原子的穩(wěn)定作用來解釋，盡管這些理論都有相同的結(jié)果，即使得親核試劑的反應(yīng)性強(qiáng)于預(yù)期，但這些解釋只有有限的定量數(shù)據(jù)，并且不能解釋一些反常的α-效應(yīng)。
為了提供一個(gè)統(tǒng)一的理論，以便從親核試劑的本質(zhì)來理解α-效應(yīng)，作者梳理了控制SN2反應(yīng)的物理機(jī)制，并確定了α-親核試劑的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系。作者使用了相對(duì)論密度泛函理論（DFT），ZORA-OLYP/QZ4P方法探索和分析了不同結(jié)構(gòu)的Nu: - + C2H5Cl的勢(shì)能面。
圖2. 各親核試劑的堿性與親核性相關(guān)
作者首先探究了各類親核試劑的堿性(ΔHPA）與親核性(ΔH?)的關(guān)系，即之前提到的Br?nsted型相關(guān)性（圖2）。從結(jié)果中可以看出α-親核試劑分為三類，即親核性相對(duì)增加比如HOO-，親核性相對(duì)降低比如CH3SHN-，以及親核性相對(duì)不變。作者更換了被親核試劑的取代基以及離去基團(tuán)之后，上述趨勢(shì)并未發(fā)生變化。
為了定量地了解α-效應(yīng)背后的物理因素，作者使用了反應(yīng)性的激活應(yīng)變模型(ASM)。ASM將電子能(ΔE)分解為兩個(gè)不同的能量項(xiàng)，即應(yīng)變能(ΔEstrain)和相互作用能(ΔEint)。應(yīng)變能由單個(gè)反應(yīng)物的變形引起，而相互作用能由變形反應(yīng)物之間沿反應(yīng)坐標(biāo)的所有相互作用組成。如圖3所示，HOO-與HO-相比，其兩項(xiàng)均基本相同，這與圖2中兩者雖然堿性不同，但親核性基本相同一致。
圖3. HOO-與HO-親核反應(yīng)的能量對(duì)比
為了理解為什么兩種親核試劑與底物的相互作用能相等，作者采用了正則能量分解分析(EDA)。作者將ΔEint轉(zhuǎn)化為三個(gè)有物理意義的能量項(xiàng):靜電相互作用(ΔVelstat)，(空間)泡利斥力(ΔEPauli)和軌道相互作用(ΔEoi)。ΔEPauli是指由于泡利不相容原理，兩個(gè)反應(yīng)物被占據(jù)軌道之間的不穩(wěn)定相互作用。ΔEoi代表了反應(yīng)物間的電荷轉(zhuǎn)移，比如HOMO-LUMO相互作用。作者發(fā)現(xiàn)HOO-的ΔEPauli比HO-低而ΔVelstat更高。兩者的ΔEoi基本相同（圖4）。因此作者得出結(jié)論，不穩(wěn)定(空間)泡利斥力的顯著減少有效地抵消了靜電相互作用的損失，構(gòu)成了具有強(qiáng)α-效應(yīng)的親核試劑。
圖4. HOO-與HO-親核反應(yīng)正則能量分解分析對(duì)比
圖5. 代表ΔEPauli的軌道作用及軌道重疊
作者通過軌道計(jì)算得出，在與C2H5Cl的HOMO-4以及HOMO-5的軌道進(jìn)行泡利排斥時(shí)，HOO-的HOMO軌道與之重疊性更小，這也可從軌道示意圖中看出。HOO-的HOMO軌道在空間上更小，造成了更小的排斥作用（圖5，6）。
圖6. HOO-與HO-的HOMO軌道形狀示意圖
對(duì)于ΔEoi即HOMO和LUMO相互作用來說，雖然HOO-依然重疊更小，但是其能量相對(duì)較高，因此與C2H5Cl的LUMO能量更匹配，綜合來看，兩者的ΔEoi基本相同（圖7）。
圖7. 代表ΔEoi的軌道作用
此外，HOO-的靜電相互作用ΔVelstat較差，這與鄰雜原子的吸電子特性直接相關(guān)，這種吸電子特性降低了親核中心的負(fù)電荷。
作者使用該理論解釋了其他的α-親核試劑活性，都得到了與圖2相符的結(jié)果。α-親核試劑需同時(shí)滿足HOMO軌道波瓣較小（更差的重疊）以及HOMO軌道更高的能量，才能顯示出相對(duì)堿性來說增強(qiáng)的親核性。如HSO-雖然顯示出了更小的波瓣，但是由于其S的d軌道的作用使得HOMO能量相對(duì)降低，因此也無法顯示出α-效應(yīng)。（圖8）該效應(yīng)在CH3SHN-表現(xiàn)更為突出，最終表現(xiàn)為反常的α-效應(yīng)。
圖8. HOO-與HSO-的軌道作用對(duì)比
最后作者也解釋了酸性與α-取代的關(guān)系，即在酸堿反應(yīng)中，反應(yīng)基本不涉及ΔEPauli，因此雖然HOO-與HO-的ΔEoi基本相同，但是HOO-的靜電相互作用較弱，最終顯示出更弱的堿性。
綜上所述，作者在本文中使用量子化學(xué)方法方法分析了α-效應(yīng)的成因：1.親核中心上HOMO軌道小的波瓣使得軌道重疊性差，從而減少與底物的（空間）泡利排斥2.足夠高的能量HOMO，通過減小HOMO–LUMO軌道能量差，克服了軌道重疊差帶來的損失。這些原理將使我們能夠定性地預(yù)測(cè)α-親核試劑是否具有α-效應(yīng)，更好地理解基本反應(yīng)
作者：WLT 審校：TZY
DOI: 10.1002/anie.202106053
Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202106053
