近日，我校化学与生物学交叉研究中心卢晓晓助理副教授与大连化物所傅碧娜研究员、张东辉院士团队及奥地利因斯布鲁克大学Roland Wester教授团队合作，在气相双分子亲核取代反应（S_N2）动力学研究领域取得重要突破，首次在原子分子尺度揭示了一种全新的“翻转保持”（flip-overretention）反应机制。相关研究成果以“Unveiling a flip-over retention mechanism in the gas-phase Cl^–+(CH₃)₃CI S_N2 reaction ”为题，于近日发表在国际顶级学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上。

双分子亲核取代反应（S_N2）和双分子消除反应（E2）是物理有机化学中最基础、应用最广泛的反应类型，其立体专一性对药物合成和精细化工具有决定性影响。2022年，该团队在《Nature Communications》发表研究成果，揭示出F⁻+(CH₃)₃CI气相反应中S_N2反应活性被强烈抑制的真正原因并非传统有机化学教科书认为的“空间位阻效应”，而是E2消除反应的高活性竞争所致，颠覆了学界长期以来的认知。本次研究以此为基础，进一步将研究体系转向亲核性更适中的Cl⁻，使S_N2与E2的竞争关系更具一般性与代表性。

本研究聚焦于15原子反应体系Cl⁻+(CH₃)₃CI的气相反应动力学。研究团队采用离子-分子交叉束三维速度图成像（3Dvelocity map imaging）实验技术，在原子分子水平上精确测量产物离子的角度分布与能量分布；同时利用基本不变量-神经网络（FI-NN）方法，构建了该反应的高精度全维（39维）势能面，并在此基础上开展了大规模准经典轨线（QCT）动力学模拟。理论计算与实验结果在空间-能量分布的关键特征上取得良好一致，证明了全维势能面和动力学模拟方法的准确性。

研究表明，在Cl⁻+(CH₃)₃CI反应中，E2消除反应占主导地位。而在S_N2反应通道中，研究团队意外发现了一种此前从未报道的新机制——“翻转保持”（flip-over retention）。在经典S_N2反应（Walden翻转）中，亲核试剂从离去基团背面进攻中心碳，导致中心碳的立体构型完全翻转。而在新发现的翻转保持机制中，Cl⁻首先接近叔丁基碘分子并引发C–I键伸长，随后叔丁基基团发生整体“翻页式”旋转翻转，最终Cl⁻以背面攻击方式完成取代，使中心碳构型得以保持。

图：研究揭示的“翻转保持”机制示意图。亲核试剂从背面进攻，引发叔丁基基团整体翻转，实现气相S_N2反应中的构型保持

这一机制有别于此前报道的前端攻击（front-side attack）和双翻转（double inversion）机制，是全新的S_N2构型保持反应路径。该发现丰富了人们对亲核取代反应本质及立体专一性的认知，对药物分子设计和有机合成方法学具有重要指导意义。

我校为论文第一单位，化学与生物学交叉研究中心卢晓晓助理副教授为第一作者。大连化物所傅碧娜研究员及奥地利因斯布鲁克大学Roland Wester教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”，科技部科技创新2030重大项目，辽宁省兴辽英才计划、辽宁省博士科研启动项目、辽宁师范大学科研启动资金等项目的支持。

文字：卢晓晓

编辑：李国辉

审核：李国辉