颠覆教科书的发现：13C KIE研究揭示芳香亲核取代反应机理 — 解读 | 专访

前言：哈佛大学的Eric Jacobsen课题组近期在Nature Chemistry上报道了芳香亲核取代反应机理的研究新突破。我们很荣幸地采访到了Jacobsen课题组的曾裕文博士，专访纪要附于论文解读之后，欢迎各位读者阅读。

Eric Jacobsen教授。图片来源：Harvard University

分步还是协同？

分步还是协同？在有机化学机理研究中，这是一个首要的问题。从理论角度来讲，其答案关系到我们对反应的根本认识；从应用角度来看，反应路径（分步/协同）也直接影响着反应的立体选择性、溶剂效应、产物分布等结果，有着不小的实际意义。然而，在具体的机理研究中，反应中间体/过渡态能量高、寿命短，问题往往看似简单，实际上却难以回答。

芳香亲核取代（Nucleophilic aromatic substitution, S_NAr）反应最早发现于十九世纪末期，是名副其实的百年经典反应，在各合成领域中均有广泛的应用。研究表明，S_NAr反应在药物化学中的使用频率仅次于酰胺键形成和偶联反应，位列第三 ^[1]。1902年，德国化学家Meisenheimer首次提出了共振稳定的负离子中间体，从此该中间体被命名为Meisenheimer络合物。上个世纪中期，物理有机化学家对S_NAr反应进行了广泛的研究，大量的Meisenheimer中间体得以表征甚至分离。至此，S_NAr反应经历加成-消除两个分步过程的观念被有机化学界广为接受。此后的六十多年时间里，在所有的教科书中，S_NAr反应都是以分步机理的形式出现（图1）。

图1. 教科书中对于S_NAr反应机理的介绍

对之前众多机理研究进行总结和分析之后，我们可以发现这些研究体系基本都具有以下两个特征：（1）高度稳定化的芳香体系（中间体的负电荷被多个硝基取代基稳定）；（2）弱离核体系（C-Nu与C-LG键能很强，难以断裂）。这是因为在上世纪五六十年代，机理研究的方法还很有限。为了研究高能量的芳基负离子中间体，物理有机化学家们倾向于引入各种稳定因素来稳定该中间体，进而用紫外-可见光谱（UV-Vis）、核磁共振（NMR）以及X射线衍射的方法来研究和表征。因此，在高度缺电子的芳香体系中观察到稳定的Meisenheimer中间体并不惊奇。但问题的关键是，极端条件下所得到的研究结果是否可以推广到所有的反应体系？更进一步讲，对于更为常见的，不那么缺电子的S_NAr反应体系，是否存在着协同机理的可能性？

¹³CKIE在反应协同性研究中的应用

哈佛大学的Eric Jacobsen课题组长期致力于反应机理的研究。对于“分步还是协同”这个经典问题，Jacobsen课题组的Eugene Kwan博士和曾裕文博士等研究者尝试用¹²C/¹³C动力学同位素效应（Kinetic isotope effect, KIE）来回答。由于¹³C KIE能够提供反应过渡态（Transition state, TS）中碳原子成键/断裂时的直接信息，在反应协同性（concertedness）研究中具有先天的优势（图2）。具体来讲，在对称的协同反应中，过渡态（TS）在反应坐标的中间。新键尚未形成的同时，旧键已经断裂，此时过渡态中¹²C和¹³C零点能差接近于零，故人们能观察到极限的KIE值（图2，左）。例如，在S_N2反应中，¹³C KIE一般在1.04-1.08之间（一级¹³C KIE的极值约为1.08）。与此同时，在分步机理中，由于中间体能量高，过渡态一般很早或很晚（early/late TS），此时过渡态中¹²C和¹³C零点能差接近于原料中¹²C和¹³C零点能差，故只能观察到相对小的KIE（图2，右）。例如在S_N1反应中，¹³C KIE一般接近于1.00。

图2. 协同路径与分步路径对¹³C KIE的影响

为了更好地研究S_NAr反应的协同性，他们选取了三个具有代表性的反应（图3）：（A）极度缺电子的芳香体系中拥有弱的离去基团（F）；（B）中等缺电子的杂环体系中拥有好的离去基团（Br）；（C）极度缺电子的芳香体系中拥有好的离去基团（Cl）。

图3. 三种不同的反应体系。图片来源：Nat. Chem.

首先，耦合簇（coupled cluster）理论计算（精度高，被视为计算中的金标准）得到了三个反应的势能面（图4a、4c、4f）。从图4a可以看出，反应A经历了一个稳定的Meisenheimer中间体（左下角）。为了进一步验证计算的准确性，研究者还计算了该反应的“KIE图”（图4b）。由图4b可知，该反应KIE的极值为1.070，其对映的反应过渡态在中间的红色区域处，只有经历协同过程才能达到。事实上，反应A经历的是分步过程，分别对应图4b中的两条白线，从而规避了高KIE区域。对于该反应，计算预测的¹³C KIE结果为1.033，与实际测量结果（1.035）一致，进一步验证了计算的准确性。同时，实际KIE为理论极值的47 %，也显示了反应经历分步机理。对于反应B，计算则表明反应是协同过程，体系中没有观察到稳定的中间体（图4c）。同样，该反应的极限KIE为1.045，而观测结果为1.035，为理论极值的87 %，这也说明反应经历了协同过程（图4d）。

图4. 理论计算分析从分步到协同机理的过渡情况。图片来源：Nat. Chem.

反应C则属于临界情况（图4f）。其¹³C KIE预测值（1.040）为理论最大值（1.055）的73%，介于前面两种极端情况之间。从反应势能图来看，整个过程中没有中间体；但从反应动力学角度来看，分子在Meisenheimer区域停留时间较长（平均时间为233 fs，图4f中虚线所示）。故该反应既可视为协同过程，但其过渡态寿命显著长于普通过渡态；又可视为分步过程，但其中间体寿命远低于普通中间体。

如何理解研究结果

以上的研究显示S_NAr反应可以具有三种不同的反应路径，这不仅异于人们在教科书上所接触到的简单图示，同时也有些颠覆常规理论。那么，如何才能更好地理解这些研究结果呢？

图5. 分步 vs. 协同S_NAr反应的简化Marcus分析。图片来源：Nat. Chem.

从能量角度来看，根据Marcus理论，反应的路径由起始原料、产物和中间体这三者的相对能量所决定（遵循能量最低原则）。当Meisenheimer中间体被两个强吸电子的硝基稳定之后（反应A），其能量显著降低，开始与原料和产物的势能面相交，此时的反应为分步过程（图5a）。与此同时，如果芳香环上的吸电子基不能提供足够的稳定作用（反应B），则Meisenheimer中间体的能量较高，反应经协同方式进行（图5b）。然而，对于中间状态的反应C，情况则更加复杂。首先，硝基的强吸电子作用使得反应存在经历分步路径的可能性。但是，由于结构中含有一个非常好的离去基团，第二步消除反应的能垒大大降低，以至于中间体的寿命极短。此时中间体可能退化为一个浅势阱或仅仅在势能面上留下一个小肩峰（图5c）。

从空间和轨道的角度来看，协同的S_NAr反应似乎还是难以理解。因为不像协同的S_N2反应，在S_NAr反应中，亲核试剂从C-X的σ*轨道进攻是空间禁阻的。事实上，由于能量上相近，过渡态的结构将更接近于中间体而不是起始原料（图5b）。因此，在过渡态中，F离子从π平面的上方进攻，电子填充到C=N的π*轨道；与此同时，N上的孤对电子开始填充C-Br的σ*轨道，致使Br离子离去（图5d）。简单来说，对于协同的S_NAr反应，加成和消除两个基元过程仍然存在，不同的是这两步并没有明显的先后顺序，而是几乎同时发生。这一结论也得到了电荷分析（Charge analysis）、核独立化学位移（Nucleus-independent chemical shift, NICS）分析与自然键轨道（Natural bond orbital, NBO）分析的证实（图4e）。

S_NAr反应中协同机理的普遍性

近年来的少量研究表明^[2-3]，对于某些特定的底物，S_NAr反应也可以协同的方式进行。但更令人好奇的是在S_NAr反应中，协同过程究竟是特例，还是普遍现象。此外，对于人们常见的S_NAr反应体系，又有多大的概率以协同机理进行。

为了回答这些问题，研究者选取了120个常见的S_NAr反应，这些反应涵盖了不同的芳香体系、亲核试剂和离去试剂，具有普遍的代表性。计算结果显示，在这120个反应中，仅有21个反应存在稳定的Meisenheimer中间体。该结果不仅向人们展示了协同S_NAr反应的普遍性，也进一步验证了之前的结论：只有在非常缺电子的芳香体系、同时缺乏好的离去基团的情况下，中间体才有可能稳定存在，除此之外，S_NAr反应基本都以协同方式进行。

曾裕文博士专访纪要

X-MOL：

曾裕文博士您好，非常荣幸您愿意接受我们的专访。

这篇文章中，我们注意到贵团队新开发的¹³C KIE测量方法，灵敏度大大提高，能否先介绍一下这种新方法？

曾裕文博士：

现有的¹³C KIE测量方法（Singleton method）主要是基于定量碳谱来直接获取¹³C信息，属于直接测量。由于¹³C的磁旋比为氢的四分之一，且天然丰度仅为1.1%，导致该方法灵敏度极低。为了获得可接受的精确度，测量往往需要几百毫克样品，并且测量数天，这对于需要贵重原料/催化剂的反应是不可接受的。与此同时，由于测量时间太长，核磁还常常会出现不稳定的情况，导致我们要重复测量多次，极为费时。

我们的新方法则属于间接测量。简单来说，我们不是测量¹³C，而是测量与¹³C相连的F的核磁信号，并通过比较¹³C-F信号强度与¹²C-F信号强度来获得¹³C/¹²C比例。仅这一点，我们就可将测量灵敏度（S/N）提高（理论上）13.6*n倍（n为F原子个数，例如CF3中n为3）。也就是说，我们可以将样品用量降低到之前的“(13.6*n)分之一”，或把测量时间缩短到之前的“(13.6*n)²分之一”（考虑到C和F弛豫时间的不同，测量时间还可以再减少三分之二）。

但问题是，¹³C-F（卫星峰）信号太弱，往往被淹没在¹²C-F（主峰）信号中，以至于我们不能获得准确的¹³C-F峰积分信息。所以我们开发了一种多量子过滤技术（Multiple quantum filtered，MQF）来“过滤”掉¹²C-F信号（主峰）而仅剩下¹³C-F信号（卫星峰），以此将¹³C KIE的测量实用化。

X-MOL：

具体到最近这篇论文，关键idea是如何产生的呢？

曾裕文博士：

我们小组对反应机理一直很感兴趣，因为机理研究可以帮助我们更深入地理解和改进反应。之前我们用的最多的是反应过程动力学（Reaction progress kinetic analysis, RPKA）。当然，动力学是一种强大的机理研究工具，但其最大的问题在于不能提供反应决速步（Rate determining step, RDS）之后的信息。同位素效应则可无视决速步的存在，直接研究我们感兴趣的成键过程。相对来说，¹³C KIE除了更难测量，在其它方面对H/D KIE都有绝对优势，所以我们决定先开发相应的测量方法解决这个研究瓶颈。

X-MOL：

在具体工作中，贵团队为什么会选择芳香亲核取代（S_NAr）反应作为研究对象呢？

曾裕文博士：

其实，我们遇到的最大挑战就是寻找合适的研究体系。好的研究工具并不等价于好的研究结果，选择课题时我们关注的是：课题本身是不是有意义？是不是有趣？能否得到简单清晰的结论？在这里，我们选择S_NAr反应作为研究对象就是考虑到其应用的广泛性，机理的有趣性。接下来，体系的选择也非常关键，好的研究体系可以让人事半功倍；不好的体系不仅费时费力，还得不出清晰的结论。例如，在这个研究中，我们仅选取了三个代表性反应，却分别对应了三种不同的机理路径，涵盖了各种机理可能性。所以，整个选择过程都需要我们来回讨论，仔细地推敲。

X-MOL：

这个工作对于整个领域有可能产生哪些影响？

曾裕文博士：

本工作主要有两部分。第一部分是开发了一种在C-F耦合体系中快速测量¹³C KIE的方法。简单地说，只要原料或产物中含有氟原子，就可以研究与之相连的¹³C KIE，无需像H/D KIE一样预先用重同位素标记原料。而且，该方法样品用量低（可降至10 mg），数据采集时间短（10个小时），甚至可以使用未经纯化的反应混合物进行测量。可以预见，该方法将在未来的氟化学机理研究中起重要作用。第二部分则是S_NAr反应的研究。通过¹³C KIE研究结合高精度理论计算，我们得以描绘出更为全面和深入的机理画面，加深了对于这个经典反应的理解。我个人觉得，如果本研究能引发大家对化学界一些曾经奉为圭臬的观点的重新思考，那也是非常有意义的。

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Concerted nucleophilic aromatic substitutions

Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0079-7

导师介绍

Eric Jacobsen

http://www.x-mol.com/university/faculty/26725

参考资料：

1. Analysis of past and present synthetic methodologies on medicinal chemistry: where have all the new reactions gone? J. Med. Chem. 2016, 59, 4443-4458.

2. A single transition state in nucleophilic aromatic substitution: reaction of phenolate ions with 2-(49nitrophenoxy)-4,6-dimethoxy-1,3,5-triazine in aqueous solution. J. Chem. Soc. Perkin Trans., 1993, 2, 1703-1704.

3. Concerted nucleophilic aromatic substitution with ¹⁹F^- and ¹⁸F^-. Nature, 2016, 534, 369-373.