简明物理有机化学教程最新版本ppt课件

.,第2章有机化学反应的过渡态理论,作者：王剑波（北京大学化学学院）版权所有：北京大学出版社,出版时间：2013年10月,.,本章内容,2.1一些基本概念势能面;反应坐标;过渡态理论的基本假设2.2Erying方程2.3活化参数的意义活化参数分析实例2.4与过渡态理论相关的一些重要的原理和概念Hammond假设;反应活性-选择性原理;Curtin-Hammett原理;动力学控制和热力学控制;最小移动原理2.5过渡态理论的局限性隧道效应2.6马库斯反应速率理论简介2.7电子转移反应2.8过渡态理论与生物有机化学,.,2.1一些基本概念,物理有机化学的重要任务之一是探讨有机化学反应的本质。化学反应的本质应当从能量的角度来理解，而有关反应能量的信息可以从测定反应速率常数得到。,.,化学反应的活化能在1040kcal/mol，如果Ea25kcal/mol，则需适当加热。也有少数反应Ea0。,Arrhenius方程是从实验中总结出的经验关系,20世纪20年代最早提出了碰撞理论在30年代又提出了过渡态理论,.,一个分子由N个原子组成，每个原子可以在互相垂直的三个坐标上运动，有3N个自由度。考虑一个分子是一个整体，将上述的自由度进行分类。,势能面的概念,.,导致化学变化发生的原子运动称为反应坐标。定义参数X为沿反应坐标体系的变化。势能是X的函数。这样的图称为反应坐标图(reactioncoordinatediagram)。,反应坐标(reactioncoordinate),.,对于双分子反应，情况要复杂一些。,.,.,1)除了沿反应坐标的变化之外，还有其他的振动。这些振动仅是通常的振动，独立地进行，它们和反应无关(至少可以这样假定)。如果除反应坐标之外，只有一个振动自由度，可以画出一个三维的势能曲线。2)二维的或三维的反应坐标图只显示了体系的势能，而分子体系的总能量是动能和势能之和。分子通过碰撞交换能量，分布在一定的能量范围内。大部分分子处于较低的能量而少数分子处于高能。,2.2Erying方程,.,过渡态理论假定两分子经碰撞生成产物时将经历一个具有最大势能的构型，这个具有最大势能的构型被称为过渡态。,.,k可以通过统计热力学的方法导出（将反应坐标上的贡献和其他坐标上的贡献分开）：,其中h:普朗克常数(Plancksconstant),6.626x10-34Js;kB:玻尔兹曼常数(Boltzmanconstant),1.38x10-23JK-1。,式(1)中K是一个根据过渡态理论假设得到的平衡常数：,.,两个式子结合以后我们就有Erying方程（由Erying教授在20世纪30年代导出）:,其中：,DG：活化自由能(freeenergyofactivation)DH：活化焓(enthalpyofactivation)DS：活化墒(entropyofactivation),HenryEyring(1901-1981),.,将Erying方程和Arrhenius的经验方程（）比较,在等压条件下我们有:,Erying方程的实际应用并非是通过活化参数来计算反应速率,而是相反，即通过反应速率的测定来求得反应的活化参数。,Erying方程在反应机理研究的实际应用,.,其中随温度的变化很小，这样我们有,取对数后：,由对作图得一直线其斜率为,确定了以后，即可以求得DS,.,当一个反应的活化能等于零时，即DG=0，由Erying方程可以得到在25oC时，k=6.31012s-1。,这大约等于在气相中，单分子反应速率的极限。,.,了解反应在过渡态时的能量对于探讨一个化学反应的实质是至关重要的。DH和DS的大小和符号反映了过渡态的结构。,2.3活化参数的意义,.,活化参数的意义活化焓,除了单分子反应以外，在由反应物生成活化络合体时，分子数一般总是减少的，所以DS0。这是由于形成过渡态时体系的平动自由度减少，转变为转动和振动自由度，而平动自由度对熵的贡献比转动和振动自由度大。,.,例(1)环戊二烯的二聚反应(dimerizationofdyclopentadiene),较低的DH对于协同反应是特征性的，因为键的断裂伴随着键的形成。,熵的变化相反,协同的42反应不仅要求两分子结合到一起，而且还需要两分子在空间严格地按照一定的取向排列，故反应体系的自由度大为降低，活化熵DS成为绝对值较大的负值。,.,例(2)1,1-偶氮丁烷的分解(decompositionof1,1-azobutane),决速的步骤是碳单键的均裂,只有很少新键的生成来补偿所需的能量，因此具有较高的活化焓。,熵的变化相反，随着单个偶氮分子解离，体系获得平动自由度，使得DS成为数值较大的正值。,单分子分解反应特征的活化参数,.,例(3)叔丁基氯（t-butylchloride）的溶剂解反应,具有一般性的现象，即产生电荷的反应通常具有负的DS，而从带电荷的起始物生成中性过渡态通常具有正的DS。,可见，溶液中的反应要复杂得多,必须考虑整个系统的熵变。,.,例(4)Claisen重排,单分子反应经过环状过渡态具有负的DS，因为失去了转动自由度。,.,2.4与过渡态理论相关的一些重要的原理和概念,1)Hammond假说(Hammondpostulate),可以这样合理地考虑:对于一个放热反应(exothermicreaction),起始物具有较高的能量,因此只需很小几何结构上的变化就可以达到过渡态,因此过渡态的结构和起始物相近。,上述的定性论述称为Hammond假说。,相反，对于一个吸热反应（endothermicreaction），反应物将吸收能量使其在几何结构上发生变化，只有在过渡态的结构已经非常相似于高能量的产物时才能达到过渡态。,.,放热反应(DH0)具有晚的过渡态,Hammond假说(Hammondpostulate),.,HAMMONDPOSTULATE1955paperusedtransition-statetheorytoexplainstructure-reactivityrelationshipsAMANDAYARNELL,C相反，如果G更正，即反应更为吸热，则x会更大，也就是说，过渡态出现较晚。这与前面介绍的定性的Hammond假设是一致的。,.,2.7电子转移反应(electrontransferreaction),电子转移是化学反应中的一种重要类型，可以简单地用以下的反应式表示：,近年来，有一些曾经被认为是亲核和亲电试剂之间的反应现在被发现是首先经历了单电子的转移，然后以自由基的机理发生反应的。一个具有代表性的例子是在第一章中曾经介绍过的格氏试剂与酮的反应。,.,两种机理存在着竞争，电子转移机理的关键一步是RMgX和Ph2CO之间的电子转移，生成笼内的阴离子自由基/阳离子自由基对。,.,当使用高空间位阻的二（2,4,6-三甲基苯基）甲酮(dimesitylketone)时，用ESR检测到顺磁物种的形成，浓度高达原料的80。,.,自由基探针(mechanisticprobe)检验自由基中间体,.,电子的转移通常是极快的过程，因为电子的运动比核的运动要快得多（10-16svs10-13s）。在转移过程中电子没有时间增加或者失去能量，为了使得能量能够守恒，给出电子的给体的能级和接受电子的受体的能级必须是相同的。进一步说，在开始发生电子转移的时候，它们的能级就必须相同，因为转移过程中没有时间使核的位置改变以便使能级发生变化。,电子转移是否只能在给体和受体刚好只有相同的能级的基态分子间进行呢？,电子转移的确只有在相互匹配的能级之间进行，但这种匹配可以通过给体和受体以及周围的溶剂的重组，在电子转移发生之前进行。这种重组，用l表示，使得电子转移具有活化能垒。,.,马库斯方程：,由此方程可知，如果Go具有足够的负值，则有可能使得两抛物线在代表反应物之处相交，即左边抛物线之最低点，这时Go4Gint，这将使得：,换句话说，如果有足够负的Go，可以根据马库斯理论，可以完全抵消内部的活化能垒。,.,(a)激发态分子M*的半占轨道LUMO的能级高于基态分子R的空LUMO轨道，电子从M*转移到R是放热的；(b)激发态分子M*的半占HOMO轨道低于基态分子R的全占轨道，电子从基态分子R转移到激发态分子M*是放热的；(c)基态分子R的空LUMO轨道高于激发态分子M*的半占空轨道，而基态分子R全占HOMO轨道又低于激发态分子M*的HOMO轨道，因此，这种情况下不可能发生放热的电子转移。(d)基态分子R的LUMO能级低于基态分子M的HOMO能级，这种情况下两个基态分子之间的放热电子转移是可以发生的。,.,电子转移前后的自由能变化可以用下式表示：,DGo=E(D/D+)-E(A-/A),其中E(D/D+)是供体分子的氧化电势，而E(A-/A)是受体分子的还原电势。,当一个分子处于激发态时，则有以下的关系式(称为Weller方程)：,DGo*=E(D/D+)-E(A-/A)-E00,其中DGo*表示激发态反应的反应前后自由能变化，E00表示激发分子的激发能。,.,下图表示了当Gint=5kcal/mol时G对Go作图。,.,由此图可知，随着反应自由能的减少（变得更负），电子转移速率首先是增加，达到一个最大值以后，又减小。,如果用logk电子转移之速率对Go作图，则可以得到下面的图：,当Go变负时，G最初变小，当Go4Gint时G=0，达到最小值，Go进一步变负时，G又增加，势能曲线上的这个区域称为马库斯反转区。,.,G随着负Go的增加而减小是化学反应中可以预期的趋势，例如酸碱催化的Brnsted催化定律，它说明越强的酸或碱达到平衡的速度也越快。这称为是处于正常区域的反应。,.,分子内的电子转移，1984年Miller发表了给体与受体用刚性间隔基因（固定在1pm）连接的化合物分子内电子转移反应，基本上消除了扩散的掩盖作用，证实马库斯反转区的存在。（这是在理论预言的25年之后）,.,2.8过渡态理论与生物有机化学抗体酶的概念,Pauling早在1948年就指出：酶的活化中心与它所催化的反应的过渡态具有互补性。换句话说，酶与过渡态之间的结合比酶与反应物之间的结合更为紧密（Pauling,L.Nature,1948,161,707;Lienhard,G.E.Science,1973,180,149）。,.,Michaelis-MentenEquation应用稳态近似可以得到：,其中ET为酶的总浓度。,而竞争性抑制的平衡常数为：E为未与底物结合的酶的浓度。,一个好的底物应当具有较小的Km，而一个好的抑制剂应当具有较小的Ki。,.,反应的产物，inosine，是酶的一个比较好的抑制剂。但是，coformycin是一个更好的酶抑制剂，因为它的结构与过渡态更为接近。,例(1),.,例(2),这个十分特别的生物转化，它经过一个Claisen重排，或者称为3,3s同面迁移反应。这个重要反应将糖类同含有芳香环的氨基酸联系在一起，下面的3,3,1-二环化合物A被发现是一个较好的抑制剂。,.,后来，人们发现，与过渡态更为相似的化合物B具有更强的抑制作用。,事实上，用过渡态类似物来抑制酶反应已经成为药物设计的一个重要手段。,.,抗体酶(antibodyenzyme),动物免疫系统可以产生大量结构多样的抗体（antibody，由多肽链组成）。这些抗体可以识别侵入体内的外来物质（antigen,抗原），并与之形成非常专一的紧密结合。与酶不同之处在于，抗体与分子的基态相结合，而酶则与