
【化】 mechanism of bimolecular nucleophilic substitution; S-N2 mechanism
双分子亲核取代反应(SN2反应,Bimolecular Nucleophilic Substitution)是有机化学中一类重要的反应机理,其核心特征是亲核试剂(Nucleophile)从离去基团(Leaving Group)的相反方向进攻底物中心碳原子,导致立体化学反转(Walden反转)。该反应速率与底物浓度和亲核试剂浓度均呈一级关系,总反应级数为二级,因此称为“双分子”机理。
协同五中心过渡态
亲核试剂(如OH⁻、CN⁻)与底物(如卤代烃)的α-碳原子形成部分共价键,同时离去基团(如Cl⁻、Br⁻)与碳原子的键逐渐断裂。这一过程中,反应物和产物通过五原子(中心碳、亲核原子、离去基团及两个相邻原子)的线性过渡态完成转化(《March's Advanced Organic Chemistry》第8版)。
立体化学特征
由于亲核试剂必须从离去基团的反方向接近中心碳,导致产物构型与原底物完全相反。例如(R)-2-溴丁烷在SN2反应中生成(S)-2-丁醇(IUPAC术语表Gold Book定义)。
该机理在药物合成(如吗啡衍生物构型控制)和生物化学(甲基转移酶催化反应)中具有重要应用,其动力学特征可通过过渡态理论公式描述: $$ text{速率} = k[底物][亲核试剂] $$ 其中k为温度相关的速率常数,符合阿伦尼乌斯方程。
双分子亲核取代反应(SN2)是亲核取代反应的重要类型,其机理和特点如下:
SN2反应中,“S”代表取代(Substitution),“N”代表亲核(Nucleophilic),“2”表示反应的决速步骤涉及两种分子(底物与亲核试剂)。反应速率与底物(RL)和亲核试剂(Nu⁻)的浓度均成正比,速率方程为:
$$r = k[RL][Nu]$$
例如,CH₃Cl在NaOH溶液中水解为CH₃OH的速率即符合此方程。
若中心碳为手性碳,反应后其构型会反转。例如,R构型的底物经SN2反应后生成S构型的产物。
SN2为一步协同机理,速率依赖两种物质,无中间体;而SN1为两步反应(首先生成碳正离子),速率仅与底物浓度相关。
SN2反应以背面进攻、协同过渡态、构型翻转为核心特征,适用于低空间位阻的底物和弱极性溶剂环境。如需更详细机理图示或实例分析,可参考相关化学教材或文献。
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