华东理工高等有机有机反应机理和测定方法VIP

第3章有机反应机理和测定方法主要内容有机反应机理和反应类型有机反应的热力学和动力学要求有机反应的热力学控制和动力学控制电子移动的箭头符号和描述规则有机反应机理的提出（★）研究有机反应机理的方法（★

★）几个有机反应机理的研究实例（★

★）

Hammett线性自由能方程（★）2/4/20241华东理工大学-王朝霞课件反应机理是由反应物转变为产物的途径，若为基元反应，则为一步反应得到产物；若不为基元反应，则可以分解为多步基元反应过程。

反应机理（或反应历程）就是对反应物到产物所经历过程的详细描述和理论解释，特别是对中间体杂化状态、能量变化等的描述。

反应机理及其所解决的问题2/4/20242华东理工大学-王朝霞课件反应条件起什么作用？决速步骤是哪一步？副产物是如何生成的？

反应是如何开始的？产物生成的合理途径？经过了什么中间体？反应机理所要解决的问题目前关于反应机理的描述主要是根据一些实验结果及观察到的实验现象和模型而做出的合理的理论假设和判断。限于检测手段及理论研究的局限，迄今为止，尚未有一个反应机理被真正证明过。2/4/20243华东理工大学-王朝霞课件研究反应机理的意义了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。发现反应的一些规律，指导研究的深入。依据的实验事实越多，则由此作出的理论解释越可靠。一个反应的历程应经得起实验事实的考验，并应有一定的预见性。2/4/20244华东理工大学-王朝霞课件3.1有机反应机理和反应类型基本概念底物底物和试剂是相对而言的，一般把无机物看作试剂，把能转化为所需产物的有机物或能提供碳去成键的物质称为底物，有机反应机理包括从底物转化为产物的全过程。例：底物2/4/20245华东理工大学-王朝霞课件异裂反应键的电子对在旧键断裂时留在一个碎片上的反应，多是包含有离子中间体的反应。XY→X++Y-

：：

亲核

亲电亲核试剂是电子对的给予体，它在化学反应过程中以给出电子或共用电子的方式和其他分子或离子生成共价键。亲电试剂是电子对的接受体，它在化学反应过程中以接受电子或共用电子的方式和其他分子或离子生成共价键，又称亲电体。2/4/20246华东理工大学-王朝霞课件均裂反应键的电子对在旧键断裂时平均留在两个碎片上的反应，均裂反应包括自由基中间体过程。协同反应旧键断裂的同时新键也形成的反应。相同反应过程中无任何离子或自由基中间体存在。如SN2亲核取代反应，E2消除反应、Diels-Alder反应等。2/4/20247华东理工大学-王朝霞课件反应类型按反应机理分类有机化学反应自由基反应离子型反应协同反应自由基加成自由基取代亲电加成亲电取代亲核加成亲核取代消除反应2/4/20248华东理工大学-王朝霞课件按反应底物和产物的因果关系分类取代反应亲核取代亲电取代自由基取代加成反应亲核加成亲电加成自由基加成消除反应氧化还原反应有机化学反应2/4/20249华东理工大学-王朝霞课件3.2有机反应热力学和动力学要求北京大学的徐光宪院士总结了20世纪化学的三大理论成就：化学热力学。它可以判断化学反应的方向，提出化学平衡和相平衡理论，可以预见化学反应的可能性，为合成化学指明方向。量子化学和化学键理论，以及结构和性能关系的初步规律。这对设计合成具有优良性能的化合物是至关重要的。化学动力学和分子反应动态学的研究，特别是催化理论的发展和计算机设计合成方法的推广，大大推动了合成化学。2/4/202410华东理工大学-王朝霞课件3.2.1热力学热力学：解决反应进行的方向和程度，即反应可进行到哪里的问题。热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。热力学第二定律

热力学第二定律圆满解决了化学反应的方向和程度问题，要使反应发生，产物的自由能必须低于反应物的自由能，即△G必须是负值。2/4/202411华东理工大学-王朝霞课件△G=△H-T△S=-RTlnK恒温恒压下，反应始、终态之间的焓变、熵变及自由能变化的热力学关系式为：△G为负值，反应可以自发进行。吉布斯自由能变化始终态间的焓变始终态间的熵变2/4/202412华东理工大学-王朝霞课件焓(H)作为一个描述系统状态的状态函数，没有明确的物理意义，ΔH(焓变)表示的是系统发生一个过程的焓的增量，反映了反应物和产物之间的键能差。焓与焓变熵(S)是体系混乱度的量度，体系越混乱，熵越大。熵与熵变2/4/202413华东理工大学-王朝霞课件△G解决的是化学反应的热力学问题，即反应进行的方向与程度问题△G=△H-T△S一个自发过程，随着过程的发展，△G的绝对值渐渐减小，过程的自发性渐渐减弱，直到最后，△G=0，达到平衡。过程自发,△G<0；过程不自发,△G>0；达到平衡态,△G=0。2/4/202414华东理工大学-王朝霞课件2/4/202415华东理工大学-王朝霞课件K=[产物]:[底物]△G=△H-T△S=-RTlnK实际上，有机反应原则上都是可逆反应，反应达到平衡时，正向反应和逆向反应的速率相同，平衡点的产物浓度和底物浓度之比称为平衡常数K。2/4/202416华东理工大学-王朝霞课件动力学：解决反应进行快慢的问题，对反应速率的处理研究主要有碰撞理论和过渡态理论两种学说。3.2.2动力学碰撞理论基本假设：分子为硬球型；反应分子A和B必须碰撞才能发生反应；只有那些能量超过普通分子的平均能量且空间方位适宜的活化分子的碰撞，即“有效碰撞”才能起反应。2/4/202417华东理工大学-王朝霞课件碰撞理论认为：反应速率取决于产生必要碰撞的频率，分子或离子为了进行反应必须相互碰撞，除了空间因素或碰撞的方向外，碰撞的分子还必须有足以引起反应的活化能才能反应。2/4/202418华东理工大学-王朝霞课件K=A·e-E活/(RT)Arrhenius方程式碰撞和空间因素反应分子必须具有的活化能

在相同温度下，E活大的反应，其k值小；E活小的反应，其k值较大。

同一反应，E活一定时，温度愈高，则k愈大。一般温度每升高10℃，k值将增大2~10倍。速率系数与温度关系的方程式2/4/202419华东理工大学-王朝霞课件过渡态理论除了自发反应外，反应过程中总是存在一个能垒，一个基元反应的反应物先要到达能垒的顶峰变成活化配合物（或活化过渡态TS）后才成为中间体或产物。A—B+C→[A----B-----C]→A+B—C2/4/202420华东理工大学-王朝霞课件无中间体过程的反应进程和能量的关系一步放热反应一步吸热反应活化能△G≠是反应要发生时必须克服的能垒，它与反应的自由能变化△G是两个并不相干的能值。对放热反应，活化能>0;

对吸热反应，活化能>反应热2/4/202421华东理工大学-王朝霞课件反应物还可以经两步转变为产物（经过两个过渡态），中间可瞬时生成具有一定稳定性的中间体。有一个中间体过程的反应进程和能量的关系不折回点2/4/202422华东理工大学-王朝霞课件微观可逆性原理根据过渡态理论，正反应为基元反应，其逆反应也必为基元反应，一个反应正向进行所经历的途径，也是逆向进行所要经历的途径，因为这个途径为这两个过程都提供了最低的能障。过渡态：反应物转变为产物的中间状态，（推测的）势能最高处的原子排列，寿命=0，无法测得。中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中间体一般很活泼，但可通过实验方法观察到。对比2/4/202423华东理工大学-王朝霞课件A—B+C———（Ⅰ）ABC—（Ⅱ）ABC—（Ⅲ）ABC→A+B—C过渡态结构反应过程中过渡态结构大致分为三种类型：2/4/202424华东理工大学-王朝霞课件哈蒙特(Hammond)假说哈蒙特研究了过渡态，中间体，反应物及产物间的关系：对任何单一的反应步骤，其过渡态的几何图形与自由能更接近的那一边类似。2/4/202425华东理工大学-王朝霞课件根据过渡理论，过渡态转变为中间体或产物时的速率极快，反应物和过渡态间存在一个平衡常数K≠。△G≠=△H≠-T△S≠=-2.303RT㏒K≠

△G≠越大，K≠越小，所以△G≠决定了反应的快慢。△G≠与温度有关，通常温度每升高10℃反应速率增加一倍。一般△G≠<40KJ·mol-1时，反应进行较快，而△G≠>120KJ·mol-1时，反应进行很慢。它符合下列关系：[T.S.][A][B]K≠=A+BT.S.C2/4/202426华东理工大学-王朝霞课件3.3有机反应的热力学控制和动力学控制CAB在一定反应条件下，一个从同一反应物出发的反应可能由于竞争反应而产生不同产物，此时应分析影响生成目的产物途径的诸因素，以便控制反应条件，使反应趋向目的产物而获得最佳收率。2/4/202427华东理工大学-王朝霞课件如果两个反应都不可逆，则速率快的反应生成的产物多，即C的产量较多。这种反应产物的比率决定于反应速率的过程称之为动力学控制。活化能低，反应快。2/4/202428华东理工大学-王朝霞课件反应可逆时，当反应平衡完全建立后产物的比例取决于它们的相对热力学稳定性的大小，称为热力学控制或平衡控制的反应。对上述反应，接近平衡时B将成为优势产物或唯一的产物，在这种条件下首先形成的C转变为A，而稳定性较大的B很少转变为A，产物为热力学控制。内能低，热力学更稳定2/4/202429华东理工大学-王朝霞课件有机反应通常较慢，常常在建立平衡以前就终止反应分离产物了，所以得到的一般总是动力学控制的产物较多。在许多情况中稳定性较大的产物也同时是形成较为迅速的产物，此时动力学控制产物也是热力学控制产物。2/4/202430华东理工大学-王朝霞课件1,2-加成1,4-加成－80oC80%20%80%20%40oC40oC例：提示：低温时：

1,2-加成产物易生成（活化能较低），是由反应速度决定的产物（动力学控制）。1,4-加成不易进行（活化能较高）。加热时：1,4-加成为主要产物（达到平衡时比例高），说明较为稳定。是由稳定性决定的产物（热力学控制）低温产物比例加热后变化：1,4-加成产物较稳定，反应可逆。2/4/202431华东理工大学-王朝霞课件1,4-加成产物生成较慢，解离也较慢。1,2-加成产物生成较快，解离也较快。2/4/202432华东理工大学-王朝霞课件例：可利用反应条件来控制反应过程，低温条件有利于动力学控制的过程，即易于进行C(6)上的去质子反应；在较高的温度下反应则易于达到平衡的热力学控制的过程，即易于进行C(2)上的去质子反应。2-甲基环己酮动力学控制热力学控制2/4/202433华东理工大学-王朝霞课件例：上面的反应得到的热力学控制和动力学控制产物的方向是一致的，即最快生成的主产物也是最稳定的产物，占的比例也多。2/4/202434华东理工大学-王朝霞课件3.4电子移动的箭头符号和描述规则常用箭头及其含义可逆反应共振相等或相当于多步反应有机反应中，由反应物形成产物的过程实际上是旧键的破坏、新键的形成过程，是电子排布的变化过程或者是电子转移的过程。正确认识和描写这些过程是理解和提出反应机理的基础。2/4/202435华东理工大学-王朝霞课件一对电子从箭头符号尾巴所在处的一个原子或价键移向箭头所在处的另一原子或价键。弯箭头及其含义2/4/202436华东理工大学-王朝霞课件杂原子上的孤对电子，如X-,RO-,R2O,R3N,CN-,R3P,R2Se等有机金属试剂中的富电子基团R,如RMgX,RLi,R2CuLi等。负氢试剂中的H-,如LiAlH4,NaBH4,NaH,KH,BH3等。有张力的σ键，如环丙烷。与带有孤对电子的杂原子相连的烯基、炔基等重键因共振效应而在π键上带有负电荷，如烯醇、烯胺的π键和苯酚、苯胺之类芳环上的富电子π键。常见电子源2/4/202437华东理工大学-王朝霞课件具空轨道的物种，如碳正离子，含Al、B的Lewis酸，过渡金属试剂上的过渡金属等。酸性氢，如无机酸、羧酸、水、醇、胺、炔基氢等。弱的σ键，如卤素、过氧化物中的σ键等。极性σ键上的烷基碳，如RX、ROTs等极性π键，如R2C(O)、RCN、RC(O)X、

,-不饱和羰基化合物上的

-碳等。亲核物种都是电子源，亲电物种都是电子坑，反之则未必。常见电子坑2/4/202438华东理工大学-王朝霞课件环戊酮肟的形成历程10：氧原子的孤对电子转移到质子上；11：氮原子的孤对电子转移到羰基碳原子上；12：碳氧双键的电子对移向带正电荷的氧原子；13：氮氢间的电子对移向碳氮之间，氢以质子形式离去；14：羟基带着一对电子以氢氧根负离子离去，结果失去水分子形成环戊酮肟。例：2/4/202439华东理工大学-王朝霞课件

2,2-二甲基丙醇在浓硫酸作用下形成2-甲基-2-丁烯的反应机理首先是羟基被质子化转化为易离去基团，接着发生离去形成碳正离子和甲基的迁移，弯箭头15表示甲基负离子的迁移，即甲基带着电子对转移，形成新的更加稳定的碳正离子。2,2-二甲基丙醇转化为2-甲基-2-丁烯的反应机理例：2/4/202440华东理工大学-王朝霞课件也称半箭头，指一个电子从箭头符号尾巴所在处的一个原子或价键移向箭头所在处的另一原子或价键。钓钩多用在自由基反应的机理研究上。钓钩及其含义2/4/202441华东理工大学-王朝霞课件甲烷的氯代反应机理的表达自由基型链反应（chainreaction）自由基中间体2/4/202442华东理工大学-王朝霞课件电荷守恒定律电荷是物质的属性，它不会凭空产生或消失，只能从一个物体转移到另一个物体上。电荷守恒定律是物理学的基本定律之一，它指出，对于一个孤立系统，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数和永远保持不变。对有机反应而言，就是每一步有机反应前后的电荷总量是不会变化的。2/4/202443华东理工大学-王朝霞课件3.5有机反应机理的提出

1903年，Lapworth在研究丙酮与氰化氢的反应时，发现反应速率因加碱而加快，因加酸而变慢，提出了第一个有机反应机理。α-羟基氰2/4/202444华东理工大学-王朝霞课件反应机理的给出需从实验结果出发，通过合理的电子转移图示将底物转化为产物，提出机理时需考虑以下几个方面：产物中的每个原子在反应物中都要有来源，即产物和包括底物、试剂甚至溶剂在内的反应物上的原子有对应关系。找出导致产物形成的反应途径，确定哪些基团或键发生了变化。底物的化学结构有无原子重排。运用众所周知的基元反应机理，避免不合理的电子转移或出现高能量的过渡态和中间体。2/4/202445华东理工大学-王朝霞课件含活泼亚甲基的环酮与

,-不饱和羰基化合物在碱存在下反应，形成一个二并六员环的环系。

例：鲁宾逊（Robinson）增环反应观察产物与反应物的原子数，确定反应是否增加碳原子。将产物中相关的碳原子进行编号并与反应物相对应，以便跟踪反应物中碳原子的去向和产物中碳原子的来源。观察旧键的断裂和新键的形成，推测可能的反应机理。2/4/202446华东理工大学-王朝霞课件本反应分为两步，第一步是迈克尔（Micheal）加成反应，第二步是羟醛缩合反应。反应机理Micheal加成反应亲核加成吸电子基，与双键共轭2/4/202447华东理工大学-王朝霞课件羟醛缩合反应活泼甲基2/4/202448华东理工大学-王朝霞课件反应机理合理性原则提出的机理应明确解释所有已知的事实，同时又尽可能简单，易于重复和证明。基元反应应是单分子或双分子的，通常情况不必考虑三个分子以上的其他反应。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，合乎通用性的一般规则，如正性部分总是和负性部分结合。机理要有一定的预见性，当反应条件或反应物结构变化时，应能对新反应的速率和产物变化作出正确的预测。新机理必须有充分必要的令人信服的实验结果和理论解释。2/4/202449华东理工大学-王朝霞课件反应机理的研究步骤提出一个与已有实验事实及理论知识相符的假设。设计并进行实验以检验所提出的历程假设。根据实验结果对假设进行修正或推断。通常上述步骤要重复多次。对同一实验的解释可能有多种选择，与试验事实相符的反应机理也可能不止一条，为此要认真细心、去伪存真、反复推敲，以得到较为满意又令人信服的机理历程。2/4/202450华东理工大学-王朝霞课件例：推测机理1×羰基碳易受亲核试剂的进攻，半缩醛上的碳不宜接受亲核试剂的进攻，另外，EtO-亲核性极强，不易离去。推测机理1不合理。

-羟基丙腈亲核进攻2/4/202451华东理工大学-王朝霞课件推测机理2：醛羰基易于接受亲核试剂的进攻上述四步反应过程化学上合理，能量上有利，因此认为其机理推测合理。

-羟基丙腈2/4/202452华东理工大学-王朝霞课件例：顺丁烯二酸反丁烯二酸推测机理1：反应是光或热引发的重排顺丁烯二酸与稀盐酸共热后会很快生成反丁烯二酸。2/4/202453华东理工大学-王朝霞课件推测机理2：反应经Cl-的亲核加成生成单键中间体负离子，它绕单键旋转后脱去Cl-而得到产物。推测机理3：反应经H+对烯烃的亲电加成生成单键中间体正离子再脱去H+而得到产物。2/4/202454华东理工大学-王朝霞课件推测机理4：原料和HCl加成生成氯代丁二酸再消去HCl得到产物，或是原料和水加成生成苹果酸（2-羟基丁二酸）再脱水生成产物。推测机理5：H+对烯烃亲电加成后形成内酯再生成苹果酸后脱水得到产物。2/4/202455华东理工大学-王朝霞课件推测机理6：H+对羰基亲电加成后，形成一个单键可自由旋转的共振结构再脱去H+得到产物。推测机理7：H+对羰基亲电加成后再加Cl-，经这样的1,4-加成后再消去HCl得到产物。2/4/202456华东理工大学-王朝霞课件机理是以假设为前提的，上述的机理看似都符合反应过程，到底哪一个正确呢？这个看似简单的反应在十九世纪末就知道了，但机理的阐述直到20世纪中期，经同位素、动力学等各种方法排除了不可能的机理后，才发现最后的一个可能性是较为合理的解释。2/4/202457华东理工大学-王朝霞课件3.6研究有机反应机理的方法产物及副产物的鉴定中间体产物的确定催化作用同位素标记立体化学动力学测定2/4/202458华东理工大学-王朝霞课件产物及副产物的鉴定研究反应历程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它们之间的比例。一个不能说明所有产物的机理显然是不成功的，或者提示我们该反应经过不止一个历程。2/4/202459华东理工大学-王朝霞课件甲烷氯代链引发：链增长：链终止：化学反应基元反应例：甲烷在光照下与氯反应除生成氯甲烷外，还有少量乙烷生成。2/4/202460华东理工大学-王朝霞课件重排现象——碳正离子的证据重排产物机理H迁移例：主产物2/4/202461华东理工大学-王朝霞课件顺或反式2-丁烯加Br2的立体化学相同对映体顺-2-丁烯反-2-丁烯2/4/202462华东理工大学-王朝霞课件中间体产物的确定对于有机反应机理研究而言，能检测到活性中间体是重要的证据，但在大多数情况下，中间体是不稳定的，不能分离。目前对有机中间体确认的主要方法：

反应活性中间体的分离反应活性中间体的检测反应活性中间体的捕获可疑反应活性中间体的否定

2/4/202463华东理工大学-王朝霞课件反应活性中间体的分离

活性中间体具有一定的稳定性，可在低温下或其它可控制的条件下使反应停留在中间体阶段一定时间而不立即变为产物，以适当的手段将中间体分离出来。

反应活性中间体的检测

许多反应活性中间体因寿命较短，不能分离，但是可以用一些物理方法如IR,NMR,UV-Vis,ESR,EPR等检测其存在。能够用光谱检测也必须满足2个条件：（1）活性中间体的浓度能满足检测需要；（2）有足够长的寿命，并能吸收适当的放射。2/4/202464华东理工大学-王朝霞课件反应活性中间体的捕获

有些过于活泼或浓度很低的活性中间体，既不能分离，又不能被波谱方法检测，这时可以向反应体系中加入可与它反应的捕获剂，形成一个能反映中间体特性的新产物，后者往往能够被分离或检测。如卡宾中间体可用烯烃来捕获，推测有苯炔中间体的反应可用共轭双烯捕获得到Diels-Alder加成物来证明。2/4/202465华东理工大学-王朝霞课件

可疑反应活性中间体的否定

对于可疑的活性中间体，若能用其他方法得到，那么在同样条件下应该得到同样的产物，这种方法可以提供结论性的否定证据：如果得不到同一产物，即可以断定可疑中间体并非反应活性中间体。但是若得到了同一产物，还或许是巧合产生的，故不能作为结论性证明。2/4/202466华东理工大学-王朝霞课件

酰胺与次卤酸盐的碱溶液(或卤素的氢氧化钠溶液)作用时，放出二氧化碳，生成比酰胺少一个碳原子的一级胺的反应。Hoffmann重排（降解）2/4/202467华东理工大学-王朝霞课件反应中间体N-溴代酰胺(RCONHBr)曾被离析，从其它方法得到的该化合物在相同条件下反应也能转化为产物，因此认为该反应是经过这一中间体历程进行的，从而提出其反应机理。2/4/202468华东理工大学-王朝霞课件异氰酸酯胺基甲酸酰基氮宾重排氮宾分子内插入C-R间2/4/202469华东理工大学-王朝霞课件在芳香族亲电取代反应中，亲电试剂进攻芳环形成σ-配合物，然后离去基团（多为氢）离去，在适当条件下，中间体σ-配合物可以分离，也证明了这一机理的可信性。芳香族亲电取代反应2/4/202470华东理工大学-王朝霞课件即使分离出中间体产物并在相同条件下反应能够以不低于整个反应速率转变得到与所提出的机理相一致的产物，也不能断然说产物就是经由它而来。跟踪反应，检测到B，有两种可能：

B是中间体，反应经B生成C；

B是副产物，该副产物反应后也能得到产物C；从B出发得不到同一产物C，则可断定B不是反应的中间体。结论2/4/202471华东理工大学-王朝霞课件Claisen酯缩合反应具有

-活泼氢的酯，在碱的作用下，两分子酯相互作用，生成β-羰基酯，同时失去一分子醇的反应。称为克莱森酯缩合反应。2/4/202472华东理工大学-王朝霞课件反应可以检测出烷氧负离子的加成物，但实际上这与缩合反应无关。实际反应历程如下：1-4步在同一体系完成，前三步对逆反应有利，第四步对正反应有利，整个反应依靠第四步正向移动。将生成的钠盐从体系分出，然后酸化成乙酰乙酸乙酯2/4/202473华东理工大学-王朝霞课件催化作用催化剂能同等加快正、逆反应速率。根据催化剂的性质及它们在反应中的作用可以获得有关反应的信息，如能被酸催化的反应常可能存在碳正离子，能被碱催化的反应常可能存在碳负离子，被光或过氧化物所激发或在高温下发生的且能被自由基抑制剂所阻止的反应常常涉及自由基机理。自由基加成亲电加成2/4/202474华东理工大学-王朝霞课件同位素标记同位素标记法是借助同位素原子以研究有机反应历程的方法。同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫做示踪元素。用示踪元素标记的化合物，化学性质不变。人们根据这种化合物的性质，对有关的一系列化学反应进行追踪。D(2H),14C，15N，18O等是常用的同位素。2/4/202475华东理工大学-王朝霞课件在酯的碱性水解中，用18O标记的酯经水解反应回收原料后发现原料中18O的含量减少；而在标记的H218O中水解时，原来无18O标记的酯回收原料时发现部分带有18O，这就告诉我们酯水解经过一个四面体结构的中间产物。2/4/202476华东理工大学-王朝霞课件Claisen重排烯丙基芳基醚在高温(200℃)下可以重排，生成烯丙基酚。

对Claisen重排，利用同位素标记，证明烯丙基是以γ-碳原子与苯环的邻位相接，以-碳原子与苯环的对位相连接，说明到对位的重排是分步进行的。2/4/202477华东理工大学-王朝霞课件环状过渡态烯丙基苯基醚邻烯丙基苯酚对烯丙基苯酚互变异构互变异构环状过渡态[3,3]

迁移

[3,3]

迁移反应机理2/4/202478华东理工大学-王朝霞课件同位素效应同位素效应是研究反应机理的一个常用手段。当反应底物中的一个原子被它的同位素取代后，对它的化学反应性没有影响，但反应速度有显著的影响。虽然其它重原子的同位素效应也有应用，但最常用的还是H/D的同位素效应,可以用KH/KD表示。2/4/202479华东理工大学-王朝霞课件由于同位素具有不同的质量，因此具有不同的零点振动能，质量越大，零点振动能越低，对于一个涉及到与同位素相连的键断裂的反应来说，与质量大的同位素相连的键由于零点能低而就需要较高的活化能离解，从而表现为较低的反应速度。同位素效应产生的原因2/4/202480华东理工大学-王朝霞课件在决速步骤中与同位素直接相连的键不发生断裂，而是分子中其他化学键发生变化所观察到的效应，其KH/KD≈

0.7-1.5。KH/KD﹤1称为颠倒的同位素效应，较少见。一级同位素效应在决速步骤中与同位素直接相连的键发生了断裂的反应中所观察到的同位素效应，KH/KD≥2。二级同位素效应同位素效应分为一级同位素效应和二级同位素效应。2/4/202481华东理工大学-王朝霞课件应用：，说明决速步骤中有C－H*键断裂。2/4/202482华东理工大学-王朝霞课件应用：2/4/202483华东理工大学-王朝霞课件立体化学立体化学过程和结果的分析是提供一个机理的最有利证明。如果反应物或产物中有立体异构现象，则可以根据化合物的构型、构象、顺反、光学异构等现象作出准确的判断，而正确的假设通常也能准确地预言反应的立体化学结果。外消旋体反应经历平面型的碳正离子中间体结构。2/4/202484华东理工大学-王朝霞课件底物发生构型反转(亦称Walden转化)，说明反应经历SN2历程。2/4/202485华东理工大学-王朝霞课件动力学测定动力学是研究各种反应因素如浓度、压力、温度、催化剂等对反应速率的影响。通常在某一恒温条件下讨论浓度和反应速率的关系，然后确定化学反应的速率方程，求得反应级数和速率常数。A→产物

r＝k[A]A＋B→产物

r＝k[A][B]A＋B＋C→产物

r＝k[A][B][C]2/4/202486华东理工大学-王朝霞课件一级反应速度仅与一种反应物的浓度成比例：反应速度=-d[A]/dt=k[A]二级反应速度和两个反应物的浓度成比例：反应速度=-d[A]/dt=k[A][B]三级反应速度和三个反应物的浓度成比例：反应速度=-d[A]/dt=k[A][B][C]通过速率方程可以求得反应级数和速率常数。从速率常数可得知活化能、活化焓、活化熵等数值，从而了解反应的能垒和特定条件下控速步骤；从反应级数可知有多少分子、哪些分子参与了决速步骤。2/4/202487华东理工大学-王朝霞课件动力学数据只提供关于决速步骤和在它以前各步的情况，当有机反应由两步或两步以上的基元反应组成时，则反应速度定律的确定一般比较复杂，通过平衡近似和定态近似法等简化方法可求得反应的表观速度常数。A+C→Dv=k2[B][C]=k2·k1/k-1[A][C]=kobs[A][C]第一步是决速步骤：v=k1[A]，是一级反应第二步是决速步骤：2/4/202488华东理工大学-王朝霞课件

动力学方程不能指明过渡态中原子的排列方式，也不能提供它们结构方面的任何信息，因此动力学方程不能证明一个机理，但不符合方程式所提示的过渡态的机理则肯定是不正确的。动力学方程的作用是：假设多种机理，排除与观测到的动力学不相符的机理，留下一些可能的机理，再依据其它实验方法对这些可能的机理加以确证。2/4/202489华东理工大学-王朝霞课件A+C→Dv=k2[B][C]=k2·k1/k-1[A][C]=kobs[A][C];二级反应第一步是决速步骤v=k1[A]，是一级反应×第二步是决速步骤？√2/4/202490华东理工大学-王朝霞课件研究有机反应历程的方法很多，在许多情况下仅凭一个方式或一个证据是不够的，需要从各方面以多种方法加以探讨证明来得到较好的机理历程说明。2/4/202491华东理工大学-王朝霞课件3.7几个有机反应机理的研究实例邻基参与效应同芳性单电子转移和自由基链式亲核取代反应

Favorskii重排烯烃的臭氧化反应

1-薁羧酸的脱羧反应

1,2-碳负离子的重排反应碳酸二甲酯与苯甲酸/DMC的甲基化反应邻氨基苯甲酸酯的水解反应正向和反向竞争的Knoevenagel缩合反应2/4/202492华东理工大学-王朝霞课件邻基参与效应（NeighboringAssistance）在某些亲核取代反应中，出现以下特点：反应速率比预期的大；手性C原子上构型保持不变。在这些情况中，通常在离去基团的β位（有时更远些）有一个带有未共用电子对的基团参与了这一反应。邻基参与效应普遍存在于取代、消除、重排等反应中。2/4/202493华东理工大学-王朝霞课件邻基参与效应：分子中的亲核取代基参与了在同一分子中另一部位上的取代反应，即能够部分或全部地与反应中心成键形成过渡态或中间体以影响整个反应的反应速率、产物的构型等。如上图反应即是一邻基参与的亲核取代反应：(R)-

-溴代丙酸盐在碱性条件下水解，可以得到100％的构型不变的产物，即(R)--羟基丙酸盐。2/4/202494华东理工大学-王朝霞课件邻基参与反应的特点反应速率加快虽然有些邻近基团的亲核能力没有外来亲核试剂Nu-的亲核能力强，但是外来亲核试剂Nu-必须与反应物进行有效碰撞才能发生反应，而邻近基团与被进攻的反应中心碳原子在同一分子中，并处于适当的进攻位置，因此，其“有效浓度”极高，易发生有效碰撞，致使反应速率加快。这种现象又称为邻基协助或邻基促进。邻基效应能否使反应加速，取决于邻基参与是否发生在决速步骤。若发生在决速步骤，则对整个反应起着明显的加速作用，否则对反应速度影响不大。2/4/202495华东理工大学-王朝霞课件

CH3CH2SCH2CH2Cl在碱性条件下的水解速率比CH3(CH2)4

Cl的水解速率快3200倍，而

,´-二氯代硫醚比一般氯化物水解速率快1011倍，分别如下面所示:2/4/202496华东理工大学-王朝霞课件反应中心的立体化学得到保留在邻基参与反应中，产物中心碳原子的立体构型保持不变。其原因是反应物分子发生了两次分子内的SN2反应，而SN2反应的立体化学特征是产物的构型完全翻转，两次构型翻转的结果正好是构型保持。2/4/202497华东理工大学-王朝霞课件发烟HBr与(-)-苏式-3-溴-2-丁醇反应，得到外消旋体(±)-苏式-2,3-二溴丁烷。说明产物与反应物的构型（指苏式）保持不变，其原因是邻近基团-Br参与了反应，生成三元环状溴离子中间体，外来亲核试剂Br-对三元环中间体中的两个碳原子进攻的机会是相同的。例：2/4/202498华东理工大学-王朝霞课件导致重排现象亲核试剂Nu-可以进攻与离去基团L相连的中心碳原子，也可以进攻参与桥环的另一个碳原子，且向两个方向进攻机会几乎是相等的。所以，在反应过程中除了得到正常的取代物外，还常常得到重排产物。2/4/202499华东理工大学-王朝霞课件能发生邻基参与效应的基团包括一系列具有未共享电子对的原子（团）及有π键的芳基、烯烃等不饱和基团，某些C-Cσ键甚至C-Hσ键也有这类作用，分别称为n-、π-和σ-参与。常见的邻近基团有：-COOR、-OR、-OH、-SH、-NH2、-NHR、-NR2、-NHCOR、-Cl、-Br、-I、-COO-、-O-、-S-、>C=C<、>C=O和苯基等。邻基参与反应的类型2/4/2024100华东理工大学-王朝霞课件

n-参与具有未共用电子对(即非键电子，用n表示)或带负电荷的原子或原子团的邻基参与亲核取代反应的历程，称为n-参与历程．例：含卤素的n-参与历程(-Cl、-Br、-I)卤素的邻基参与能力大小为I>Br>Cl,与其亲核能力一致。2/4/2024101华东理工大学-王朝霞课件

π-参与含π电子的参与基团主要是C=C双键和芳环(苯基及取代苯基等)。反-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解速率要比顺-7-原冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解快107倍，而且反式乙酸解产物构型保持不变，顺式产物则发生构型翻转。这是因为顺式反应物无邻基参与作用，不能生成非经典碳正离子，而反式结构进行乙酸解时，碳碳双键作为邻基参与反应，生成了非经典碳正离子中间体，所以大大提高了反应的速率。2/4/2024102华东理工大学-王朝霞课件

27的水解速率比相应的饱和烃快1500倍，产物为反-双环[5.3.0]-1-萘烷醇28和重排产物29，反映出反应中形成了环烯丙基正离子中间体。

π-参与的邻基效应随π电子所处轨道能量降低而减弱。芳香基团、主要是苯基的邻位参与效应比一般的双键弱，大多数情况下只有位于

-位的芳香基团才有此效应。2/4/2024103华东理工大学-王朝霞课件

σ-参与这是因为环丙基的弯曲键作为邻基进攻碳正离子，与碳正离子的空的p轨道发生共轭效应而使碳正离子趋于稳定，接着，-OH进攻碳正离子，发生水解反应，而在

-三甲基氯乙烷分子中无邻基参与效应。

Hart等人发现

-三环丙基氯乙烷在碱性条件下的水解速度比-三甲基氯乙烷的水解速率快3×107倍。2/4/2024104华东理工大学-王朝霞课件同芳性一个具有平面密闭共轭体系的单环多烯化合物，当其π电子数为4n+2时(n=0,1,2,3,⋯⋯)才可能有芳香族的稳定性。

1959年，Winstein提出同芳性的概念，用于解释某些共轭体系被打断但仍具有芳香性的化合物的性质。Hückel规则2/4/2024105华东理工大学-王朝霞课件同芳性是指某些共轭双键的环被一个或两个亚甲基所隔开，这个亚甲基在环平面之外，使环上的π电子构成芳香体系。如环辛三烯正离子（同阳离子)。同芳性传统观念中认为同阳离子是非芳香性的，因为它们的π电子离域分布被一个或多个饱和碳原子隔开了，然而随着研究工作的深入，特别是NMR谱的测定，发现它具有芳香性化合物的基本特征。2/4/2024106华东理工大学-王朝霞课件

同芳性是对芳香性概念的补充和扩展，是指越过一个或几个饱和的原子形成的稳定的环状共轭多烯。它也服从Huckel规则，但在离域的体系中插入了另外具有饱和中心的原子，不过其几何构型允许P轨道跨过这个隔离的间隙而仍能相互重叠。2/4/2024107华东理工大学-王朝霞课件1,3,5-环庚三烯环壬三烯正离子随着“同芳香性”概念的建立，许多过去曾被认为非芳香性的物质实际上为同芳香性。环壬三烯正离子有两个亚甲基，它们在环平面之外构成双同芳香体系。2/4/2024108华东理工大学-王朝霞课件反应中有键参与形成同芳性结构的碳正离子。2/4/2024109华东理工大学-王朝霞课件单电子转移和自由基链式亲核取代反应长期以来，人们一直认为有机反应中的极性反应仅涉及双电子转移的过程，近年来，人们确实已逐渐发现了一些原来被认为是极性途径进行的反应，实际上是通过单电子转移(SingleElectronTransformation)(SET)进行的。2/4/2024110华东理工大学-王朝霞课件

1966年，G.A.Russell等人在充分研究了某些表面上看来是亲核取代的反应，而实际上是通过单电子转移方式进行的反应，提出了单电子转移反应机理的观点。反应途径：1）单电子转移途径2）极性途径自由基离子双电子转移检测自由基中间体、分析相关产物2/4/2024111华东理工大学-王朝霞课件这表明这两个反应经历了不同的反应历程，两年后Kornblum

和Russell分别同时提出了自由基链式亲核取代反应(SRN1)机理。C-烷基化产物O-烷基化产物2/4/2024112华东理工大学-王朝霞课件前一反应可被氧、二叔丁基亚硝基、对二硝基苯等自由基截获剂所抑制；可被电子转移试剂如钠、Li/NH3，光照等所加速C-烷基化的速率对离去基团的性质不敏感；反应的空间位阻作用不明显；当X接在手性光活性碳原子上时，得到的是外消旋体产物自由基链式亲核取代反应(SRN1)的依据2/4/2024113华东理工大学-王朝霞课件在反应的第一步通过单电子转移生成游离基负离子(C)，即是反应的引发，亲核试剂(B)是一个电子供给体。(c)失去一个氯离子，生成游离基(E)。链引发链增长2/4/2024114华东理工大学-王朝霞课件(E)与亲核试剂(B)结合，生成另一游离基负离子(F)(F)与反应物(A)之间进行单电子转移，生成产物和游离基负离子(c)。2/4/2024115华东理工大学-王朝霞课件与对硝基苄基氯相比，苄基氯没有强吸电子取代基，在上述条件下，不能接受电子进行C-烷基化反应，而只能以较慢的速度进行离子型的O-烷基化反应，且其烷基化速度随I>Br>Cl而变化，这是典型的SN2反应机理。2/4/2024116华东理工大学-王朝霞课件饱和碳上的取代反应在不少情况下实际是SRN1和SN2机理同时存在的反应。如上面反应对光和对二硝基苯并无影响，可以认为经过SN2历程，但在ESR上又检测到自由基孤单电子消耗，因此这是两个机理同时存在的竞争反应。2/4/2024117华东理工大学-王朝霞课件SRN1反应有如下优点：易实现芳环上的多种取代反应并有高度位置选择性；可实现分子内或分子间的反应；产率一般较高，分离方便。在天然产物和杂环化合物的合成上SRN1反应有广泛应用。2/4/2024118华东理工大学-王朝霞课件

法沃斯基（Favorskii）重排在碱性催化剂（RONa，NaOH,NH2Na等）存在下,α-卤代酮失去卤原子，重排生成羧酸或其衍生物的反应称Favorskii

重排。通式：

这个反应看上去像是羰基所连的烷基进行了1,2-迁移并取代了离去基卤原子。通过同位素标记法跟踪反应，实际反应历程如下：2/4/2024119华东理工大学-王朝霞课件根据α'-H的存在与否，有两种不同的重排反应机理：（1）无α'-H（卤代酮）的重排2/4/2024120华东理工大学-王朝霞课件（2）有α'-H（卤代酮）的重排

一般认为重排过程涉及环丙酮类中间体：2/4/2024121华东理工大学-王朝霞课件例：2/4/2024122华东理工大学-王朝霞课件法沃斯基重排可用来合成高分支的羧酸和羧酸衍生物。环状α-卤代酮反应时会发生缩环反应，因此也可用来合成张力较大的环系羧酸及其衍生物。2/4/2024123华东理工大学-王朝霞课件烯烃的臭氧化反应臭氧化反应是将含有双键化合物氧化成醛、酮、酸的很好的氧化方式，制造方便，成本低，有氧化能力强、选择性好、反应速度快的优点，臭氧在反应结束后会完全分解，对环境无污染。2/4/2024124华东理工大学-王朝霞课件一级臭氧化物二级臭氧化物易被氧化至酸目前国际上大多数化学家所接受的反应机理是德国化学家Criegee的三步机理，其要点如下：首先，臭氧与双键发生加成反应生成一级臭氧化物；然后，一级臭氧化物分解成羰基化合物醛或酮和氧化羰；最后氧化羰与醛(或酮)重新结合成二级臭氧化物。反应机理2/4/2024125华东理工大学-王朝霞课件臭氧氧化烯烃的应用合成上用于制备醛有机分析上用于分析烯烃的结构通过产物猜测烯烃结构2/4/2024126华东理工大学-王朝霞课件

1,2-碳负离子的重排反应上述重排产物都是形成更稳定的苄基碳负离子结构。通过同位素跟踪发现前一个重排是分子间的过程，而后一个反应是分子内的迁移重排反应，外加试剂对其不产生影响。2/4/2024127华东理工大学-王朝霞课件碳酸二甲酯与苯甲酸/DMC的甲基化反应该反应以1eq的DBU存在下如上反应，而且DBU在反应结束后可再生；若以Bu3N,NH4OH或4-二甲氨基吡啶(DMAP)等碱条件下得不到酯产物。DBU是作为试剂参与这一酯化反应的，并不是简单地使苯甲酸成为苯甲酸根的碱。提出机理1：2/4/2024128华东理工大学-王朝霞课件假设机理1DBU和DMC先形成N-甲基DBU（2），再与亲核物种苯甲酸根（3）反应生成（1）。但同位素苯标记的（2'）与苯甲酸根反应未生成标记的产物（1'）。假设1不成立2/4/2024129华东理工大学-王朝霞课件假设机理2先形成氨基甲酸甲酯（4），接着有两条途径：苯甲酸根进攻（4）的羰基碳，直接生成（1）；苯甲酸根进攻（4）的甲氧基碳，生成酸酐（5），再与甲醇反应生成（1）。2/4/2024130华东理工大学-王朝霞课件以18O标记的苯甲酸进行反应，得到等比例的18O分别标记在甲氧基和羰基上的产物(1')和(1'')。如果反应经途径a进行，反应先生成(5')和(5'')，最后反应得到(1)和(1'')，及得到只有一种18O标记在羰基上的产物，另一产物无18O标记。途径a不成立2/4/2024131华东理工大学-王朝霞课件合理的机理反应按途径b进行：苯甲酸根(3)直接进攻(4)中甲氧基上的碳，从而得到等量的或在甲氧基或在羰基上有标记的产物苯甲酸酯。2/4/2024132华东理工大学-王朝霞课件邻氨基苯甲酸酯的水解反应酸催化下的酯水解：羰基发生质子化而有利于H2O的进攻。碱催化下的酯水解：OH-直接作为亲核物种进攻羰基碳。2/4/2024133华东理工大学-王朝霞课件下面3个邻氨基苯甲酸酯在pH4-8.5时，反应速率与pH值无关，此外还发现动力学同位素效应（kH2O/KD2O）为2。K×105/s:32200473很小与无氨基化合物2和3的水解相对比可看出，氨基对水解反应有重要影响，反应过程包括氨基的邻位参与。2/4/2024134华东理工大学-王朝霞课件假设机理1邻位氨基作为亲核试剂进攻分子内酯羰基形成不稳定的四元环中间体，而后接受水分子的进攻而开环完成水解反应。但动力学同位素效应不支持这一假设，因为四元环结构因环张力关系不够稳定，很快开环，不会显示kH2O/kD2O为2的效应。2/4/2024135华东理工大学-王朝霞课件假设机理2氨基作为分子内碱试剂催化反应：氮上的孤对电子与水分子间形成氢键，继而夺走质子，有利于其进攻酯羰基，这是一步慢反应，也合乎动力学同位素效应。而1a,1b和1c对反应速率影响不大，说明消除是一快速步骤。由此可见，这一反应机理是可能的。2/4/2024136华东理工大学-王朝霞课件正向和反向竞争的Knoevenagel缩合反应含活泼亚甲基的化合物与醛或酮在弱碱性催化剂(氨、伯胺、仲胺、吡啶等有机碱)存在下缩合得到

,-不饱和化合物。Knoevenagel缩合反应2/4/2024137华东理工大学-王朝霞课件例：2/4/2024138华东理工大学-王朝霞课件反应机理2/4/2024139华东理工大学-王朝霞课件Knoevenagel缩合设想路线实际情况：未发生Knoevenagel缩合？2/4/2024140华东理工大学-王朝霞课件对比实验1结论：隔绝空气时，同样条件下可以发生Knoevenagel缩合反应

d9-3易被空气氧化为d8-52/4/2024141华东理工大学-王朝霞课件分