有机化学中用来研究反应机理的方法

有机反映机制的研究方法有机化学中用来解释反映机理的传统方法重要集中在Kinetics和Dynamics两方面，即理解势能面、进一步研究分子运动和碰撞、测定活化参数、测定速率常数、拟定某个反映机理中一系列化学环节的顺序、拟定反映限速环节和决速环节。研究机理的关键目的是反映机理知识可以对如何在原子或分子水平上操纵物质给出最快速的洞察，而不是依靠运气来获得偶尔性的变化从而获得想要的结果。由于动力学在辨别机理方面起着关键作用，所以动力学是整个有机反映机理研究领域中最重要的分支之一。传统的反映机理研究方法除了动力学分析之外，尚有同位素效应、结构-功能分析等。这些都是研究有机反映机理的标准实验工具，然后实验化学家可以根据其想象力和化学发明性，设计出一些完全不同于之前出现过的研究方法。因此，本文总结了一些最为常见的方法。一方面分析最简朴的实验，例如产物和中间体的鉴定。但也会分析一些更为微妙、精细的实验，如交叉和同位素置乱（cross-overandisotopescrambling）实验。改变反映物结构以转变或捕获预想的中间体有时可以通过合成一种类似于所研究的反映物的新反映物来破译中间体的性质，但是这需要所预测的中间体能以一种可预想的方式进行反映。没有标准的方式来解决这一类实验，所以实验者必须根据具体实验情况来设计实验。下面以酶反映作为此方法的应用实例。Lin[1]等人设计了一种转变中间体的方法。扁桃酸消旋化酶可使扁桃酸根离子的对映体（2-羟基苯甲酸）互换。位于羧酸跟α位的碳负离子被认为是中间体。为了测试此中间体是否存在，作者合成设计了扁桃酸跟离子的类似物i，并用酶对其进行了外消旋化。其过程是一方面形成碳负离子，然后通过溴化物的1,6-消除，最后通过互变异构化，分离得到产物ii。此结果支持了在扁桃酸根离子途径中碳负离子中间体iii的存在。2.捕获实验和竞争实验鉴定中间体的一种常见方法是通过加入额外的试剂来捕获中间体。目前存在着几种自由基不伙计，许多好的亲核试剂是半衰期很短的亲电试剂（如碳正离子）的可行的捕获剂。必须以自己的化学知识来设计捕获中间体（如碳正离子、卡宾等）的捕获剂。但是活泼中间体的半衰期很短，所以捕获剂必须是具有很高的活性，并能与活泼中间体的标准反映途径进行竞争。同样，由于捕获反映是典型的双分子反映，所以规定捕获剂具有高的浓度。此外，还可以将捕获剂与反映物共价结合，以便更容易地捕获活泼中间体。与捕获反映所不同的另一种反映是竞争反映。在一般的动力学实验的分析中，除了决速步意外的其他环节对动力学没有显著影响，因此关于这些其他环节的数据都不能得到。这种缺少动力学依赖性经常使得在动力学分析中，很大一部分的机理没能弄清楚。一种解决这个问题的有效办法是运用竞争性实验，竞争性实验包含了两种或者多种试剂来竞争与一个或多个中间体反映。这是捕获反映的一种派生办法，它所用的捕获剂不止一种。不同的捕获剂所得到的产物的比率代表了不同的捕获剂与中间体反映速率常数的比率。根据这一比率，可以得到有关中间体的性质。只有在捕获反映遵循动力学控制时，实验才是可行的。Sarma[2]等人报道的实验中捕获了正膦以证明它的存在。五配位物种（正膦）被认为是RNA和DNA水解过程的中间体。这一物种在被广泛接受前，化学家研究了磷酸酯作为模型体系的化学性质，磷酸可以环化生成正膦，但是室温下主线观测不到中间体的存在。但是往反映溶液中加入乙酰氯后，就也许分别将两种中间体捕获。3.核对共同中间体通常，相类似的[1].Lin,D.T.,J.Am.Chem.Soc.,110,323(1988).[2].Sarma，R.J.Am.Chem.Soc.,100,5391(1978).反映历程（机理）：ReactionMechanism有机反映按化学反映所经历的所有过程：即为反映机理。反映机理是由反映物转变为产物的途径，若为基元反映，则为一步反映得到产物；若不为基元反映，则可以分解为多步基元反映过程。反映机理（或反映历程）就是对反映物到产物所经历过程的具体描述和理论解释，特别是对中间体杂化状态、能量变化等的描述。目前关于反映机理的描述重要是根据一些实验结果及观测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，尚未有一个反映机理被真正证明过。依据的实验事实越多，则由此作出的理论解释越可靠。一个反映的历程应经得起实验事实的考验，并应有一定的预见性。反映类型：按反映机理分为自由基反映（自由基加成、自由基取代）、离子型反映（亲电加成、亲电取代、消除反映、亲核加成、亲核取代）、协同反映；按反映底物和产物的因果关系分类：取代反映（亲核取代、亲电取代、自由基取代）、加成反映（亲核加成、亲电加成、自由基加成）、消除反映、氧化还原反映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。它可以判断化学反映的方向，提出化学平衡和相平衡理论，可以预见化学反映的也许性，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映动态学的研究，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。热力学：解决反映进行的方向和限度，即反映可进行到哪里的问题。动力学：解决反映进行快慢的问题，对反映速率的解决。研究重要有碰撞理论和过渡态理论两种学说。3.3有机反映的热力学控制和动力学控制在一定反映条件下，一个从同一反映物出发的反映也许由于竞争反映而产生不同产物，此时应分析出生成目的产物途径的诸因素，以便控制反映条件，使反映趋向目的产物而获得最佳收率。假如两个反映都不可逆，则速率快的反映生成的产物多，即C的产量较多。这种反映产物的比率决定于反映速率的过程称之为动力学控制。反映可逆时，当反映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映。192023，Lapworth在研究丙酮与氰化氢的反映时，发现反映速率因加碱而加快，因加酸而变慢，提出了第一个有机反映机理。αα-羟基氰反映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映物中都要有来源，即产物和涉及底物、试剂甚至溶剂在内的反映物上的原子有相应关系。找出导致产物形成的反映途径，拟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映机理，避免不合理的电子转移或出现高能量的过渡态和中间体。例：鲁宾逊（Robinson）增环反映含活泼亚甲基的环酮与a,b-不饱和羰基化合物在碱存在下反映，形成一个二并六员环的环系。观测产物与反映物的原子数，拟定反映是否增长碳原子。将产物中相关的碳原子进行编号并与反映物相相应，以便跟踪反映物中碳原子的去向和产物中碳原子的来源。观测旧键的断裂和新键的形成，推测也许的反映机理。其反映机理为：本反映分为两步，第一步是迈克尔（Micheal）加成反映，第二步是羟醛缩合反映。Micheal加成反映羟醛缩合反映反映机理合理性原则提出的机理应明确解释所有已知的事实，同时又尽也许简朴，易于反复和证明。基元反映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映。机理中每一反映环节在能量上是允许的，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，当反映条件或反映物结构变化时，应能对新反映的速率和产物变化作出对的的预测。反映机理的研究环节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查所提出的历程假设。根据实验结果对假设进行修正或推断。通常上述环节要反复多次。对同一实验的解释也许有多种选择，与实验事实相符的反映机理也也许不止一条，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。例如：a-羟基丙腈推测机理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，此外，EtO-亲核性极强，不易拜别。推测机理1不合理。推测机理2：醛羰基易于接受亲核试剂的进攻上述四步反映过程化学上合理，能量上有利，因此认为其机理推测合理。尚有同位素、动力学等研究机理的方法。（《第三章_有机反映机理和测定方法-1》）3.3拟定有机反映机理的方法1、产物的鉴定2、中间体的拟定---中间体的分离N-溴代酰胺异氰酸酯R-N=C=O中间体的检测：IR、NMR、ESR（EPR）中间体的捕获：3、立体化学方法4、同位素标记用标记的水（H2O18）水解丁二酸甲酯，得到普通的甲醇和具有O18的丁二酸，令人信服的证明水解反映是通过酰氧键断裂进行的。5、同位素效应（IsotopeEffect）同位素效应：当反映物分子中的氢被重氢置换后，再发生取代、消除等C—H键断裂反映时，所表现出的H与D的反映速度不同的现象。常以KH/KD之比来表达。C—H键断裂所需活化能比C-D断裂活化能小，当键断裂发生在决速步时就会出现同位数效应，KH/KD=1-9同位素效应有第一同位素效应和第二同位素效应两种。所谓第二同位素效应是指尽管连接同位素的键不参与反映，但却表现有同位素效应现象。一般说，第二同位素效应比第一同位素效应值小，最高只有1.5。14C，18O也存在同位素效应，但数值很小。通过同位素效应，可以拟定反映机理中的决速环节。KH/KD≌12是第一同位素效应，KH/KD’≌1．11是第二同位素效应。在大多数芳香族亲电取代反映中，不存在同位素效应，KH/KD=1．0，这就提供了一个明确的指示，在定速环节中不涉及C—H键的断裂，氢没有失去。因此，反映至少涉及两个环节和一个中间体：6、化学热力学方法热力学方法通过研究一个反映的热效应是放热还是吸热，焓、熵以及自由能的变化来求得相关机理方面的许多信息。7、动力学方法通过动力学的研究可以获得有哪些分子和有多少个分子参与了决定速率环节的信息。自催化反映（《第三章_有机化学反映机理的研究》）反映机理涉及反映中：①试剂的进攻②化学键的断裂与形成、断键顺序、③活性中间体的生成、④反映的相对速率分子振动和碰撞的速率10-12~10-14，观测分子和原子的手段尚不完善，重要根据反映中观测的现象来推断反映历程。飞秒化学：快速闪光照相机：fs(10-15s)，Zewail1999Nobelist慢动作观测化学键的断裂与形成。一.有机合成反映的基本类型绝大多数有机化合物是以共价键结合的。有机化合物反映的本质是：即为旧的共价键的断裂和新的共价键生成的过程。因此化学反映可以按新键形成分类：（一）按新键形成分类可分为：C-H键形成反映C-O键形成反映C-C键形成反映C-N键形成反映C-X键形成反映C-Si键形成反映此分类方法对于剖析有机化合物结构，研究新键的形成，发明性提出新的合成路线，具有一定的指导意义。但此种分类法还仅限于宏观过程的理解与归纳，缺少进一步的微观分析与理解。（二）按引入原子和基团或采用的试剂分类经化学反映后，产物的化学结构中仅引入了卤素原子——称卤化反映如引入NO2——硝化反映；采用氧化剂——氧化反映还原剂——还原反映采用水、醇、胺做溶剂进行的分解反映——分别称为水解反映、醇解反映、胺解反映采用催化剂Catalyst存在下，氢化还原NO2、N2+基、不饱和键、羰基等官能团的反映——催化氢化反映（三）按合成反映的机理分类按机理分类：亲电取代反映、亲核取代反映、亲电加成反映、亲核加成反映、电性消除反映、自由基反映、重排反映、周环反映。按机理分类法，可将众多化学反映，从其本质上归纳起来。对于现实中某一反映，则能从理论上给予判断和预计，对于控制化学反映，研究新的合成方法起到指导作用。二、有机合成反映机理与分类一）有机反映机理--根据键断裂方式分类（有三种基本类型）1.离子反映历程化学键断裂后，形成正离子或负离子中间体，通过正负离子中间体所进行的反映。此种反映过程称为离子反映历程（IonicMechanism）or异裂历程（Heterolyticmechanism）or极性反映历程（Polarmechanism）X:Y→X:-+Y+2.自由基反映历程化学键断裂后，两个断片各带一个电子形成自由基，通过自由基中间体而进行的反映历程——称自由基历程（Freeradicalmechanism）or均裂历程（Homolyticmechanism）X:Y→X·+Y·3.协同反映历程（一步反映历程）断键与成键同时进行，有离子或自由基中间体生成（离子或自由基）。即电子在封闭的环中运动，通常为6个电子，有时为4个电子，通过环状过渡态进行的反映历程——协同反映历程（Concertedmechanism）(二)有机反映机理——反映结果分类有机反映数目和范围广，按反映的结果可分为5类，每一类都可在不同条件下，按上述历程进行反映。1.取代反映(1)亲电取代反映（Electrophilicsubstitutionreaction）通式：如芳烃的硝化、磺化、卤代、Friedel-Crafts反映（烃化、酰化）(2)亲核取代反映（Nucleolhilicsubstitutionreaction）如卤烃的水解，醇的卤代通式：(3)自由基取代反映（Freeradicalsubstitutionreaction）如烷烃的卤代，NBS的溴化丙烯型和溴化苄型化合物的制备通式：2.加成反映（additionreaction）亲电加成反映（electrophilicadditionreaction）基本类型如C=C双键的加成(2)亲核加成（nucleophilicadditionreaction）如羰基加成、Michael加成:(3)自由基加成反映

(freeradicaladditionreaction)如过氧化物存在下烯烃与溴化氢的加成(4)一步加成反映（环化加成反映）

Cycloadditionreaction重要指2分子烯烃加成形成稳定的环状化合物的反映，如Diels-alder反映有时也将电环化反映——共轭多烯转变成环烯烃反映视为分子内部环加成3.β-消除反映（β-eliminationReaction）（1）异裂消除反映（HeterolgticeliminationReaction）如醇脱水卤烃脱卤化氢Hofmann消除反映等（2）一步消除反映（concertedeliminationreaction协同消除反映）如脂的热裂：4.重排反映（Rearrangementreaction）重排反映通常是指一个原子或基团从同一分子中的一个原子转移到另一个原子的反映。（分子内迁移反映）根据迁移原子或基团在迁移时所带电子的多少分为4种类：(1)带一对电子的转移：（缺电子重排或亲核重排反映）Nucleophilicrearrangementreaction（3）不带电子转移（亲电重排）（4）

一步重排反映（σ重排）Claisen重排烯丙基苯基醚类化合物的热重排反映5.氧化还原反映许多氧化还原反映按上述反映历程进行，有些则不是（三）按参与反映的分子或质子数分类1.单分子反映历程Unimolecularreactionmechanism化学反映经常不是一步反映，而是分既不完毕。每一步反映速率不同，其中最慢一步决定反映速率，称之为决速环节。当此步速率只与一种分子或质子的浓度有关时，（形成活化中间体时只涉及一个分子）即为单分子反映历程（Unimolecularreactionmechanism）（选自《第二章_有机反映机理与研究方法》）研究反映机理即是结识在反映过程中，发生反映体系中的原子或原子团在结合位置、顺序和结合方式上所发生的变化，以及这种改变的方式和过程。动力学研究是解决反映历程问题的有力工具，其目的是为了在反映物和催化剂的浓度以及反映