有机化学反应的动力学和机理市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、有机化学反应动力学和机理第1页 研究机理基本任务（1）有机反应所包含化合物基本物理性质来解释引发这一化学改变原因或者驱动力（Driving Force）。（2）解释决定这种化学改变速度各种原因。 怎样实现这一基本任务 就是研究有机化学反应详细历程。第2页一、动力学和机理 大多数化学家认为： 化学真正关键就是研究反应机理，即测定分子进行化学反应所发生一些详细改变和相互作用。 假如完全描述一个有机反应机理，必须知道反应物分子转变为产物全过程中全部原子在不一样时间确实切位置。第3页 这是一个从来也没有完全实现过目标！ 因为许多改变对于任何能直接监测方法来说发生太快。 分子振动和碰撞时间标度（Time

2、 Scale）在10-1210-14，这比标准光谱监测要快得多。第4页比如： 核磁共振时间分辨大约为10-3s。有机分子通常含有一定构象，这些构象之间会快速地转换。环己烷椅式构象和船式构象。 在测定分子结构时，因为构象之间转换非常快，我们所看谱图是所以结构平均（准确地说是和稳定性相关权重平均）第5页 普通地，不能看到单个构象，假如希望看到单个构象，必须提升仪器时间分辨，或者降低分子运动速度。降低分子运动速度方法： 减低低温低温核磁、低温红外等是当前研究分子结构有力伎俩。将分子运动速度降低到仪器时间分辨极限以内。第6页比如，典代环己烷： -氢在室温NMR为复杂多冲锋，在低温（-80）两种椅式构象

3、清楚分离出来。处于平伏键和直立键H分别为宽单峰和多重峰。第7页 能够说，迄今为止关于反应机理绝大部分知识都是由间接地证据推理而得到。 化学家们工作就是设计一些适当试验以求得最大可能结论性证据，所以，能够认为没有一个化学反应机理被绝正确证实过。第8页 我们只能说那一个证据支持某个机理，或者说它与某一机理相一致。 当然，一个特殊证据就能够有力地否定某一给定机理。即使对于一些“很好建立”起来机理也经常需要作重大修改或者仅仅因某一个新证据就完全被推倒。第9页 一个好反应机理必须能够解释该反应全部已知事实，而且，还必须有强有力地预见能力。 比如格式试剂与酮反应： 格式试剂反应最初被认为是格式试剂对羰基（

4、Carbonyl Group）亲核进攻，以后发觉一些路易斯酸如氯化镁，甚至格式试剂本身对反应本身有催化作用。第10页 比如格式试剂与酮反应： 另外，在反应过程中除了生成产物外，经常还能够得到还原产物，比如得到片呐醇（Pinacol）。 金属镁纯度对反应也有很大影响，微量过渡金属杂质存在有利于片呐醇生成。第11页 比如格式试剂与酮反应： 这些试验事实能够表明除了简单极性历程外，还可能有自由基路径。 金属镁纯度对反应也有很大影响，微量过渡金属杂质存在有利于片呐醇生成。第12页 Radical anion Radical cation第13页第14页 为何研究反应机理：（1）在有机合成方面。反应机理

5、知识帮助或指导我们选择反应条件以得到最高产率或提升反应选择性。第15页比如： 亲核反应在不一样溶剂中有很大差异，了解了反应机理中决定速率一步为负离子亲核试剂进攻及非质子极性溶剂能够有效地溶剂化正离子，使得亲核负离子更含有活性以后，我们就知道选取什么样溶剂来奇高反应速率。第16页DMSO中反应速率为甲醇中109倍。第17页 为何研究反应机理：（2）反应机理知识能够将表面上看来互不相干大量反应联络在一起。比如： 片呐醇重排反应，不一样起始物和反应条件生成一样产物，这些能够用共同碳正离子中间体联络在一起。第18页反应物不一样，反应条件不一样，产物相同。第19页 碳正离子重排反应机理，能够将表面上不一

6、样二烯酮/酚重排反应联络在一起了。比如：第20页 从机理来看，经历了相同1,2-迁移反应，属于同一类。第21页 为何研究反应机理：（3）反应机理方面研究说明，我们对化学问题探讨已经进入到分子实际上发生什么改变和为何发生这种改变境界。第22页 一些主要基本概念：（1）反应机理（Reaction Mechanism）经过一系列基元反应来实现化学改变详细过程。（2）基元反应（Elementary Reaction）只有一个过渡态而不包含任何中间体过程。第23页 一些主要基本概念：（3）过渡态（Transition State）在基元反应过程中经历含有最高势能结构。（4）反应中间体（Reaction

7、Intermediate）由两个以上基元反应所组成化学反应中存在最低能量化学结构，寿命长于经典分子振动（10-1310-14s）第24页 A two-step reaction第25页 反应坐标图中，相关过渡态和中间体信息对了解反应机理至关主要。 不过，这些中间过程发生在极短时间内，所以，对于其相关研究非常有挑战性。第26页比喻： 假如一个反应在10分钟内完成（严格说是需要10分钟时间与其它分子碰撞交换能量最终生成产物），按秒计算需要600s。 而过渡态发生在10-13s内完成。假设整个过程放大1013倍。即过渡态在1s内完成，反应时间则为200万年。第27页 当前直接用试验方法研究过渡态是极

8、为困难。现在人们所了解过渡态信息绝大部分是经过间接地试验伎俩推理出来：如研究反应动力学和热力学；理论计算化学计算等。第28页 当前最先进试验技术有可能直接观察到这种飞速技术，即飞秒级（Femtosecond）激光脉冲技术。 激光闪光光解方法能够测量纳米数量级反应速率，当前能够测到皮米级（10-12s）。第29页比如： Matin Newcomb等利用激光闪光技术方法测量了一系列快速自由基单分子重排速率常数，再结合间接地动力学研究伎俩，得到二苯基环丙烷基甲基自由重排速率常数为41011s，这是最快单分子重排反应之一，靠近于单分子重排反应速率极限（6.31012s）。第30页比如（Matin Ne

9、wcomb，JACS，1992, 114, 10915.： 动力学数据知道二苯基环烷基甲基自由基寿命只有2.510-12s）。当前试验技术基本上无法看到如此短寿命中间体，第31页提出合理反应机理 最尖端技术使得直接观察反应详细历程成为可能，不过，当前来讲，绝大部分机理研究仍是借助于间接地方法。 研究时，首先对某一反应提出或构想合理机理，机理是否值得是深入考查和验证是我们开始机理研究时最主要一步。第32页比如： 研究氢氧根负离子对碘甲烷取代反应。（1）仅从原子组合考虑，构想反应物分子都分解为原子，再重新组合生成产物，显然十分荒谬。第33页（2）构想或提出按下面机理进行： 这个机理看上去是合理，也

10、是简单。不过对于反应细节依然充满许多含糊不清之处。 比如会提出反应在什么时间、什么位置以及为何这么发生等问题。第34页 更确切地说，要知道电离子在什么时候离开（SN1SN2）？相对于碘原来位置羟基接到碳原子什么位置（怎样推断）？还有这个反应为何会发生，尤其是为何能按提出机理所描述详细方式发生（反应本质）？ 即使构想及判断反应机理是否合理，似乎靠经验或直觉，但还是有一定基本规则。第35页确定反应机理基本规则（1）简明标准（Simplicity Principle） 机理应尽可能简单，但能够解释全部试验事实。 假如有几个假设或构想与试验事实都相符合，则选择最简单一个。第36页（2）基元反应应该不是

11、单分子反应就是双分子反应（Elementary Step Must Be Either Unimolecular or Bimolecular） 反应动力学告诉我们两个以上分子按一定取向同时碰撞发生反应机会非常罕见。只有极个别基元反应是三分子。第37页（3）每一步骤在能量上应该都是合理（Energy Consideration） 有机化学反应需要符合热力学基本定律。即使这些定律本身并没有被证实，不过它们是建立在无数试验事实基础之上，含有与数学公理相同地位。第38页（4）每一步骤在化学上应该合理（Chemistry Consideration） 这个准则可能需要很丰富经验和直觉判断能力。大致上说

12、，我们能够用类似反应知识来判断。 普通地，所提出机理应与类似反应已知情况一致。第39页 不过注意，不符合已知情况反应机理也会偶然出现，有时甚至经常出现，一个背离“正常”行为发觉就表示一个新启示，这种情况自然要求更有份量证据，方便提出新证据。有可能造成新甚至重大发觉。第40页研究反应机理基本方法（1）产物研究，包含副产物研究（Products，Including By-produts） 对于某一反应提出任何机理要能解释得到全部产物，包含副反应形成产物在内。第41页比如： 假如提出机理不能解释少许乙烷形成原因，则该机理就不可能正确。这种中性反应条件下形了碳碳键，最有可能机理就是自由基结合。第42页

13、研究反应机理基本方法（2）中间体确实立（Intermediates） 中间体确实立在机理研究中十分主要，中间体研究主要方法： 分离（Separation）：反应一段时间后在其未完全反应之前停顿，将中间体分离出来进行结构确定。比如Hofmann反应。第43页比如：Hofmann降级反应，已经分离得到RCONHBr中间体。将该中间体在相同条件下得到相同最终产物（必须做）第44页第45页 中间体检测（Detection）有些中间体不能分离，比如自由基、碳正离子、碳负离子、卡宾等，可利用IR、NMR、ESR等技术检测其存在。第46页 中间体捕捉（Trapping）反应中加入另一个试剂（捕捉剂，Trap

14、ping Agent），使中间体与加入试剂反应生成稳定产物，分离判定该产物推断中间体存在及其结构。如苯炔证实。第47页 独立合成（Independent Synthesis）假如推测某反应有某个可能中间体，且有可能用另外一条独立路线合成中间体，并使之在相同条件下反应，假如提出机理正确，那么得到相同产物。第48页比如：环戊醇在HgO/I2作用下生成次碘酸酯（Hypoiodite），深入光照后形成烷氧基自由基，再经一系列反应最终生成碘代甲酸酯。第49页Proposed Mechanism：第50页JOC, 1984, 49：3753.第51页该反应机理中关键中间体（A），能够经过另外一条路线合成，

15、且在上述完全相同反应条件下生成相同堵塞碘代甲酸酯：第52页MCPBA: m-Chloroperoxybenzoic acidDIBAL: Diisobutylaluminium Hydride第53页同位素标识（Isotope Labeling）利用放射性同位素确立反应过程中原子去向（注意与同位素效应区分）。 比如碳-14标识为确定苯炔中间体存在提供了有力地证据。第54页能够假设反应机理是NH2-直接进攻苯环取代氯离子，这一机理在化学上是不合理。因苯环极少发生亲核反应。第55页因为这一机理与下面试验事实不符产物为混合物！第56页采取同位素技术，将氯原子相连碳用碳-14标识，试验结果以下：产品1

16、:1试验事实证实两个产物存在一个共同中间体，在这个中间体中原有取代基，Cl位置和其邻位因对称性而等价。第57页最有可能机理就是高活性苯炔机理。Benzyne第58页同位素标识技术还有一个著名试验离子是Cornell大学Carpenter教授关于环丁二烯研究工作。按照Huckel理论，环丁二烯反芳香性分子，且环丁二烯实际上极不稳定分子，在室温下不能存在。第59页环丁二烯分子是正方形还是长方形？非常有趣含有主要理论意义问题。 正方形 长方形第60页处理这个问题是很棘手，不过Carpenter采取同位素技术设计了一个巧妙试验。Adding Enes as Trapping Agent 4+2 Die

17、rls-Alder Reaction.第61页ABCDJACS, 1982，102：4272; 1982， 104：6473第62页从反应式分析，假如环丁二烯为正方形结构，则4种产物应该是等量。A=B=C=D；试验结果却是A+B远远大于C+D。试验结果支持环丁二烯结构为长方形结论。 应用产物比率对浓度和温度依赖关系能够研究两种长方形异构体之间相互转化活化能，第63页立体化学（Stereochemistry） 依据化合物构型改变推断反应改变方式，键形成和断裂方向等。如SN2反应。(R)-2-Iodobutane(S)-2-Butanol试验结果是(S)-2-Butanol为唯一产物第64页立体化

18、学（Stereochemistry） 即使原料没有光活性，只要产物有可能显示出立体化学特征，就有可能对机理进行推断。 比如：溴与双键加成反应，得到产物反式，说明溴加成是分步进行，且从双键两侧加上去。第65页立体化学（Stereochemistry） 即使原料没有光活性，只要产物有可能显示出立体化学特征，就有可能对机理进行推断。 比如：溴与双键加成反应，得到产物反式，说明溴加成是分步进行，且从双键两侧加上去。第66页第67页同位素效应（Isotope Effect） 反应物分子中氢被重氢取代，反应速率往往会发生改变，这种现象称为动力学同位素效应。 这方面研究主要提供相关机理中决定速度步骤以及过渡

19、态结构方面信息。 注意与同位素示踪技术区分。第68页动力学（Kinetics） 绝大多数相关反应机理证据是由研究各种反应参数对反应进程影响而得到，如活化能，活化浛、活化熵等。 这些反应参数是经过测定反应速率来定量。第69页反应动力学研究可取得相关那些分子和有多少分子参加了决定速率步信息。从物理有机化学发展历史上看，动力学为说明有机反应机理作出了最大贡献。第70页二、动力学研究普通方法1. 反应速率 简单地说，反应速率就是任一反应物或产物浓度改变速度。 假设反应按下述进行：该反应速率表示式能够描述为：第71页依据该表示式，反应速率测定最少需要知道反应物中一个物质浓度对时间函数。普通有两种方法实现

20、这一目标。第72页在选定时间区域内移出一定份量反应混合物进行定量分析。 连续或间歇地分析反应混合物一些与浓度相关物理性质。如NMR、FT-IR。UV等与时间改变关系。这个有点在于不干扰反应可连续监测反应。第73页用于研究反应动力学一些特殊技术包含快速反应遏流，温度聚变以及闪光光解等。 近年发展起来激光闪光光解可在皮秒甚至飞秒时间范围内监测分子。第74页2. 反应动力学级数（Kinectic order）k为速率常数，与温度、溶剂及其它反应条件相关。对于服从该动力学方程反应，对A就是a级，对B为b级，对C为c级。整个反应为（a+b+c）级。第75页指数a、b和c通常为0、1或2，注意不一定与反应

21、方程式中系数相关，也不一定是整数。对于基元反应，单分子反应为一级动力学，双分子反应为二级动力学。注意，对于多步反应，它却不一定。第76页3. 简单反应积分速度定律（1）零级反应（Zero order）第77页第78页（2）一级反应（First order）第79页或第80页（3）二级反应（Second order）第81页第82页（4）假一级反应（Pseudo-first kinectic）能够推导出：第83页依据该公式要求这个式子在动力学研究中直接使用有问题，所以考虑采取简化方法。第84页方法一是使得速率方程变为第85页方法二是使得B0大大过量则有BB0常数变为速率方程第86页称为假一级动力

22、学。假一级动力学方法是机理研究中惯用，可使复杂动力学问题简化。第87页（5）可逆反应（Reversible reaction）微观可逆性原理任何基元反应一定是可逆，而且逆向反应和正向反应经历相同反应路径。注意地是，即使微观可逆性原理告诉我们逆反应是一定发生，但在很多情况下逆反应速率很慢以至无法观察。第88页可逆反应动力学或（1）（2）第89页到达平衡时：则（1）式为（2）（3）第90页因为在反应过程中总浓度不变，所以有：（2）（4）（4）带入（3）式：第91页A为t时，A与Ae浓度差。第92页多步反应动力学许多有机反应为多步反应机理，怎样对多步反应动力学进行分析是有机机理研究中动力学方法关键。

23、比如下面反应：第93页第94页多步反应需要得到中间体X和Y浓度随时间改变才能够对这个反应动力学进行分析。不过，在有机化学反应中，中间体X或Y浓度难以确定（比如说碳正离子、自由基、碳负离子、卡宾等）。第95页所以，多步反应机理经常借助于一些简单假设来进行分析。假设目标是为了排除这些难以确定活泼中间体。惯用假设包含稳态近似方法和平衡假设方法，第96页对于非常活泼中间体，它们在反应体系里浓度将是很低，所以其浓度改变绝对值也很小。稳态近似方法 （Stationary-state approximation）第97页比如上述反应，因为Y非常活泼，所以有k2及k-1均远远大于k1。就是说生成中间体Y将快速

24、消失（回到原料A或生成产物）。这么在体系中Y浓度将是很小，所以Y改变数值也将是很小，第98页则上述多步反应方程等于零。即：第99页这种关于活泼反应中间体浓度假设称为稳态近似。利用稳态近似方法能够防止在速度方程中出现活泼反应中间体浓度项。因为从试验上来确定这些活泼中间体浓度是十分困难。第100页比如碘甲烷水解反应：首先，假设反应按下面机理进行（仅仅是假设，可能不正确）：第101页再假设CH3+和H2O反应比和I-反应要快多，而且甲醇在该反应条件下不会生成CH3+（不可逆）。第102页也就是k-1，k-2k1，k2。k2k1，这么能够忽略k-1和k-2：第103页我们继续假设CH3+非常活泼，所以它浓度总是非常小，则它改变值也一定很小，于是有：这么。我们这一步用了稳态近似假设（Stationary-State Approximation）。第104页有了稳态近似假设后，动力学方程简化为：能够得到：（5）第105页所以，产物CH3OH生成速率为：推导中假设了第二步反应比第一步反应要快多，实际上引入了决速步概念（Rate-determining Step），即整个反应速率是由最慢那一步反应决定。第106页所以，在这种情况下，速率方程能够由第一步直接写出：第107页对于碘甲烷水解，假如我们采取下面机理进行假设：k-1，k-2k1第108页CH3+反应快于它生成，不过它能够向两个方向反