反应机理研究3

反应机理研究3第1页/共50页内容提要第一部分测定有机反应机理的方法§2-5测定有机反应机理的方法一、反应机理的提出二、研究有机反应机理的方法第2页/共50页§2-4测定有机反应机理的方法一、反应机理的提出1.反应机理的提出

Lapworth；1903年对丙酮与氢氰酸的加成反应和1904年对丙酮溴化反应的研究。第二章有机反应机理的研究

第三部分测定有机反应机理的方法第3页/共50页2.对反应机理合理性的判断

(1)提出的机理应明确解释所有已知的实验事实，同时又尽可能简单，易于重复和证明。(2)基元反应应是单分子或双分子的，通常情况不必考虑涉及三个以上分子的其它反应。(3)机理中每一反应步骤在能量上是允许的，化学上则是合理的。(4)机理应有一定的预见性，当反应条件或反应物结构改变时，应能对新反应的速度和产物变化作出正确的预测。通过实验加以考察，若不能确证也应证明其不正确性。第4页/共50页3.研究反应机理的基本步骤

(1)提出一个与已有实验事实及理论事实相符的假设。(2)设计并进行实验以检验所提出的机理假设。(3)根据实验结果对假设进行修正或推断。4.实例

顺丁烯二酸与稀盐酸共热的异构化机理研究，有以下几种可能的解释：解释之一反应是经光和热引发的重排解释之二

亲核加成－消除第5页/共50页解释之三亲电加成－消除第6页/共50页顺丁烯二酸HCl氯代丁二酸－HCl反丁烯二酸解释之四解释之五第7页/共50页解释之六第8页/共50页解释之七用α,β-不饱和羧酸亲电加成机理和构象效应分析该解释的合理性第9页/共50页稳定构象消除后得顺式产物消除后得反式产物ⅢⅡⅠ稳定性：Ⅲ

Ⅱ第10页/共50页二、研究有机反应机理的方法1.产物和副产物的鉴定

研究反应机理首先要从反应物和产物的结构开始，对一个反应所提出的机理应能解释所有的产物和副产物及其之间的比例。例1对产物和副产物结构鉴定，提出以下机理：2第11页/共50页溶剂第12页/共50页例2反应产物混合物用MS分析，有明显的碎片峰（107和109）可以区别：m/z=109m/z=107由此推出环氧化合物酸催化和碱催化开环反应机理。第13页/共50页

2.中间体产物的确认(1)中间体产物的确认方法中间体的分离

证明中间体最有力的证据是将其分离出来并加以鉴定，也可用其他方法来制备所猜测的某个中间体，再让其在同样条件下反应，判断能否以不低于原反应的速率得到同样的产物。例1

苯环亲电取代反应中间体的获得5第14页/共50页例2

酰胺的Hofmann重排中间体的检测中间体的捕获

3-2第15页/共50页(2)中间体的确认与反应机理例

SN2反应SN2反应中形成的五配位碳历来被认为是过渡态形式。但最近有研究报告指出，五配位的碳也有可能以较稳定的中间体形式出现。第16页/共50页

＋＋第17页/共50页

3.催化作用根据催化剂的性质及其在反应中的作用可以获得有关反应的信息。

4.同位素标记同位素标记分子技术和跟踪同位素标记原子在原料、中间体及产物中的位置，在追踪反应物中的价键断裂和新键的原子来源中是十分有力的工具，能得到其它方法难以得到的机理信息。应用同位素标记方法需有固定位置的标记化合物合成和化学反应后测量标记原子位置的技术，D，14C，15N和18O等是最常用的同位素。第18页/共50页例1酯的BAc2水解反应机理酰氧断裂(Ac)证据1证据2第19页/共50页过渡态--酰氧键断裂的途径之一第20页/共50页活性中间体（四面体构型）酰氧键断裂的途径之二第21页/共50页羰基氧原子用18O标记的羧酸酯在普通水中部分水解，然后测定未水解酯中18O的含量，结果有所降低，即存在不含18O的酯。如果反应按途径1进行，没有活性中间体质子交换的过程，就不会发生18O的交换。所以，酯的碱性水解反应机理为双分子酰氧断裂(BAc2)。证据第22页/共50页水解水解质子交换活性中间体的稳定性↑→回收的酯中18O的含量↓第23页/共50页例2烯丙基芳基醚的Claisen重排

200℃第24页/共50页Claisen重排反应机理酮式与烯醇式重排第25页/共50页反应物的合成第26页/共50页例3苯环亲核取代反应机理：

Roberts,1953年消去－加成反应机理可说明以上实验事实产率相同第27页/共50页第28页/共50页例4碳烯结构状态的判断第29页/共50页

5.立体化学

例1酯的AAl1水解反应机理旋光化合物()第30页/共50页同位素标记例2氧化叔胺的Cope消除反应第31页/共50页立体化学12(1R,2S)-1-苯基-2-二甲氨基丁烷-N-氧化物96%0.1%第32页/共50页(1S,2S)-1-苯基-2-二甲氨基丁烷-N-氧化物90%2%第33页/共50页反应机理

E2顺式消除反应时形成一个平面五元环过渡态，离去基团与-H必须在同侧，且为重叠式。第34页/共50页例3卤代烷的E2消除反应第35页/共50页第36页/共50页

6.动力学方法动力学研究各种反应因素如浓度、压力、温度、重力、磁场、催化剂等对反应速率的影响，是研究有机反应机理这重要的方法之一。

(1)反应速率方程的确定

例1动力学方法测定结构表明，联苯胺在某条件下的重排反应对[H+]是二级的，所以任何认为定速步骤中未涉及两个H＋参与的机理肯定是不正确的。(2)反应速率与反应机理

(3)反应速率与空间效应、构象效应第37页/共50页二苯肼联苯胺重排第38页/共50页联苯胺例2

对位取代的苯甲酸甲酯碱性水解速率测定结果表明，不同取代基的速率次序为：NO2CNCHOBrHCH3OCH3NH2由此反映出有四面体碳负离子中间体存在。第39页/共50页

动力学方程并未指明过渡态中原子的排列方式，也不能提供其结构方面的任何信息，因此不能证明一个机理，仅起到排除一些不可能机理的作用。

(4)动力学同位素效应①定义同位素效应是阐明反应机理的动力学方法之一，当反应底物中的一个原子被它的同位素取代后，对其化学反应性没有影响，但会引起反应速率的改变，这些变化通称为同位素效应。最常用的是用氘来代替氕，用kH/kD表示。第40页/共50页②原理

H和D二者虽然具有相同的电子组态，有相同的化学性质，但因中子数不同而有不同的质量，因而C－H和C－D键基态振动能有差别；发生同样反应时，D的反应速率相对较慢，所以可以用kH/kD反映二者的差异。谐振子运动方程式μ↑→键的基态振动能（零点能）↓→键离解所需能量↑→E活↑→反应速率↓例如：基态振动能(kJ/mol)C－H17.4C－D12.5第41页/共50页第42页/共50页③类型kH/kD一般在1~7之间，通常认为对称过渡态的kH/kD＝7。若键的断裂程度超过一半或小于一半时，其比值就会降低。同位素效应分一级同位素效应和二级同位素效应。一级同位素效应指在决速步骤中C－H或C－D键发生断裂的反应中所观察到的动力学同位素效应，其kH/kD值通常为2或更高。如果决速步骤中未发生C－H或C－D键的断裂，其反应速率基本不会改变，即kH/kD＝1。因此一级动力学同位素效应能为反应机理提供以下两方面信息：5第43页/共50页

kH/kD≥2是C－H或C－D键在过渡态中正在断裂的证据之一；kH/kD大小定性地指出过渡态结构相对于反应物和产物的位置。kH/kD＝7：过渡态中H或D与原来成键原子之间、与新成键的原子之间都有相当强的成键作用。

kH/kD＜7，：C－H或C－D键在过渡态中断裂的较为彻底过渡态结构接近产物；或断裂程度较小过渡态结构接近反应物。第44页/共50页例1：3°RX和1°RX消除反应3°RX：kH/kD≈1.1决速步骤未涉及β-C－H或C－D键的断裂E1机理1°RX：kH/kD≈7决速步骤涉及β-C－H或C－D键的断裂E2机理，且为对称过渡态。二级同位素效应在反应中与同位素直接相连的键不发生变化，而是分子中其它化学键变化所观察到的效应，其值通常在kH/kD=0.7-1.5范围内。第45页/共50页kH/kD＝1.34溶剂同位素效应H2O换成D2O，反应速率也会改变。溶剂解反应物分子的H与溶剂分子D2O之间发生H与D的快速交换，成为标记分子溶剂分子与溶质分子相互作用的变化，使过渡态能量改变例2：第46页/共50页例1酮