03 有机反应机理研究解析

H+
酯化反应的机理
(1 ) 加成--消除机理
双分子反应一 步活化能较高
O CH3C-OH
+
H
+
OH
CH3C-OH
HOC2H5
OH CH3-C-OH HOC2H5
+
质子转移
按加成--消除机 理进行反应，是 酰氧键断裂
加成
四面体正离子
+
OH CH3-C-OH 2
+
-H2O
OH
CH3C-OC2H5
-H+
证明水解是酰氧键断裂。

顺反异构研究 如：环己烯和KMnO4/碱性条件下得顺式产物； 环己烯和Br2的反应得反式产物。
OH
CH3 C C H
CH3 C C H
CH3 H
H CH3
KMnO4 OH- H2O
H H OH
OH
CH3 CH3
(2S,3R)
内消旋体
OH
KMnO4 OHH2O
CH3 H OH
《高等有机化学》1-2章 课堂测试（15分钟）
1 指出以下化合物中3个氮原子 的碱性大小，并说明理由。(4分)
①
HN O C N(CH3)2
③
②
N H
2．将下列式子改写为标准的Fischer投影式，并指出它们的 相互关系（同一物、对映体、非对映体）（3分）
① H H OH COOH COOH OH COOH ② HO H H OH COOH
3.2 确定反应机理的方法
1 产物的鉴定 2 中间体的确定(分离,捕获,合成) 3 催化作用 4 同位素标记 5 立体化学 6 化学动力学 7 化学热力学 8 同位素效应

1. 产物鉴定 机理本身就是为说明产物是如何从起始物变来的, 所以 一个机理提出后, 必须要能说明得到的全部产物以及它们之 间的相互比例, 包括付产物。 例如



二级反应速率和两个反应物的浓度或一个反应物浓 度的平方成比例： -d[A]/dt= k[A][B] 如果[A]=[B]，则： -d[A]/dt= k[A]2
三级反应速率和三个反应物的浓度成比例 -d[A]/dt= k[A][B][C] 如果[A]=[B]=[C]，则： -d[A]/dt= k[A]3





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通过同位素效应可以确定机理中的决速步骤。
重氢同位素效应可对反应历程提供两方面的信息：
（1）KH/KD≥2是C-H键在过渡态中正在断裂；
（2）KH/KD的大小定性地证明了过渡态结构与产物和
反应物的关系。一级同位素效应比较低，表明过渡态相 当接近于产物或反应物；而较大，证明过渡态中氢与它 原来成键的原子和它新成键的原子都有强的成键作用。
CH3
b) 捕获中间体 1975年有人用2,2,6,6-四甲基氢化吡啶锂使氯苯变为苯炔, 用2,5-二甲基呋喃将形成的苯炔捕获, 证明了苯炔的形成。
CH3 Cl H3C
LiTMP +
O H3C CH3
THF,
O
c) 中间体的检出
目前，可以用NMR、IR、Raman、核磁共振等光谱进
行反应的实时检测。甚至要求很高的无水无氧的金属有机反 应也可以在核磁管中进行。例如用Raman光谱检出NO2+的 存在, 是苯硝化反应中有此中间体的强有力的证明。
H CH3 +
H CH3 OH
CH3 H
顺式加成的历程
(2S,3S) 50%
(2R,3R)
外消旋体
50%
反式加成
构型翻转
其他实例：P54: 第2题。
6. 反应的热力学
当我们研究一个有机反应时，最希望了解的
是这一反应将向产物方向进行到什么样程度？ 一般来说，任何体系都有转变成它们最稳定 状态的趋势，因此，可以预料当产物的稳定 性愈大于反应物的稳定性时，则平衡愈移向 产物一侧。 △G=△H-T△S 而△G=-RTlnK 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。
有机反应中试剂的分类
a. 自由基试剂：具有奇数电子的试剂
b. 离子试剂：具有偶数电子的试剂
（1）亲核试剂：反应过程中供给电子的试剂。
包括：阴离子、含未共用电子对的物质、烷基金 属、还原剂等。
（2）亲电试剂：反应过程中接受电子的试剂。 包括：阳离子、可接受共用电子对的物质、酸类、 卡宾、氧化剂等。
O
+
-H2O
(CH3)3C+
O=C-R
OH
R-C-OC(CH 3)3
-H+
R-C-OC(CH 3)3
按SN1机理进 行反应，是烷 氧键断裂
① 3oROH按此反应机理进行酯化。 ② 由于R3C+易与碱性较强的水结合，不易与羧酸结合， 故逆向反应比正向反应易进行。所以3oROH的酯化 反应产率很低。
该反应机制、 理也从同位素 方法中得到了 证明。
反应进行的途径:
主要由分子本身的反应 性能和进攻试剂的性能以及反应条件等内 外因决定。
判断合理机理的基本原则
1、提出的反应机理应明确解释所有已知的实验事实，同时
应尽可能简单。
2、基元反应（没有中间体，只有过渡态）应是单分子或双 分子的。（通常不必考虑涉及三分子的其他反应）
3、机理中的每一步在能量上是允许的，化学上是合理的。
则需要对所提出的历程进行修正。
3.1 有机反应机理及有机试剂的类型

有机反应机理的类型
a. 根据键的断裂及形成方式分为： （1）离子反应 （2）自由基反应 （3）分子反应（周环反应或协同反应） b. 按原料与产物间关系分为： 取代反应（亲电、亲核、自由基）, 消除反应, 加成反 应（亲电、亲核、自由基）, 重排反应（缺电子体系、富 电子体系、自由基），氧化、还原以及几种结合的反应。
如果猜测的中间体能用其他方法得到, 则用这中间体化 合物在相同的反应条件下应得到同样的产物。如果没有得到 同样的产物, 则所猜测的中间体是不正确的。但得到同样产 物并不意味着反应机理就确信无疑, 因为可能会是一种巧合。 例如
Br
In/H2O PhCHO
In
PhCH HO
中间体会不会是
3
？
制备这个化合物, 再在水中与PhCHO反应来验验！加拿 大的华人化学家陈德恒教授的研究小组后来用NMR和制备等 In 方法证明中间体是一价铟化合物
3、下列反应中，-NHCOCH3显示为间位定位基，为什么（3分）
CH3 NHCOCH 3 CH3 B r2 Fe Br CH3 NHCOCH 3 CH3
第3章 有机化学反应机理的研究
研究反应机理的目的 : 是认识在反应过程
中，发生反应体系中的原子或原子团在结 合位置、次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。
O CH3C-O18H
O18
+ (CH3)3COH
CH3C-OC(CH3)3 + H2O
(3 ) 酰基正离子机理
O C-OH CH 3
CH 3
H2SO4(浓)
CH 3
O + C-OH2 CH 3
CH 3
O +C CH 3
+O
CH 3
C CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
属于SN1机理。
O H C-OCH3 + CH 3 O C-OCH3 CH 3
CH 3
-H+ CH 3
CH 3
CH 3
78%
仅有少量空阻大的羧酸按此反应机理进行。
★ 交叉实验
在重排机理的验证上经常用到。如：Fires重排反应 如将用14C同位素标记的化合物A与普通的化合物B的 混合在一起加入AlCl3进行反应。
* O C CH3 * CH3 A O O CH3 O C CH3 B
7. 反应的动力学

动力学研究是解决反应历程问题的有力工具，其 目的是为了在反应物和催化剂的浓度以及反应速 率之间建立定量关系。 反应速率是反应物消失的速度或产物生成的速度， 反应速度随时间而改变，所以在讨论反应的真正 速度时，通常用瞬间反应速度来表示。 如果反应速率仅与一种反应物的浓度成正比，则 反应物A的浓度随时间t 的变化速率为： 反应速率=-d[A]/dt=k[A] 服从这个速率公式的反应称为一级反应。
产物的质谱所显示的相对分子质量区别是由于分子中 含有14C。结果表明产物分子有4种存在形式，产物的几率 相等，各占25%，即说明重排是分子间的反应。
5. 立体化学

立体异构包括旋光异构和顺反异构。 旋光异构研究 如：某旋光性的卤代烷碱性水解产物发生了构型转化 证明发生的是SN2历程；
苯甲酸(R)- 2 -丁酯水解生成(R)- 2 -丁醇
O CH 3C-OC2H5
OC2H5 消除
1OROH，2OROH酯化时按加成--消除机理进行， 且反应速率为：
CH3OH>RCH2OH>R2CHOH HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH
(2 ) 碳正离子机理
(CH3)3C-OH
+
OH
H+
(CH3)3COH2
3. 催化剂 催化剂能加速或阻止一个反应的进行, 可暗示其反应机理。 例如能被过氧化物加速的应为自由基机理, 被酸催化就可能是 正离子中间体, 被碱催化则可能有负离子中间体。
4. 同位素标记
酯的水解反应，证明发生了酰氧裂解。
O R C OR’ + H2O18 OHR O C O18H + ROH
氯苯在KNH2/NH3中反应，证明生成苯炔中间体。
4、机理应有一定的预见性。当反应条件或反应物结构变化 时，应能对新反应的速度和产物变化作出正确的预测。
研究和确定一个新的有机反应历程的步骤：
(1) 提出一个与已有的实验结果及理论相符合的可能的
反应历程；
(2) 通过实验来验证所提出的历程。 (3) 如果新的实验结果与提出的历程相符合，即可对 最初提出的历程加以肯定。如果新的实验结果与假设 的历程不相符合，则需重新提出历程。如果部分符合，
CH3 + Cl2 hv CH2Cl + HCl
CH3 + Cl2
AlCl3 Cl
CH3 +
CH3 + HCl Cl
上述两反应的产物不同, 因此可以推断其机理不同。
2. 中间产物的测定
反应中间体可用分离中间体、“截留”中间体、光谱 法、紫外-可见光谱法、红外光谱法、NMR共振、电子顺磁 共振法等加以鉴定。 a) 分离出中间体 霍夫曼重排反应中至少有三种中间体是很容易分离得 到的，即N-溴代酰胺及其负离子和异氰酸酯。 分离得到了RCONHBr, 证明了反应确实经过这个中间体。
Cl
KNH2/NH3
NH2
NH2
+
酯化反应机理的证明：
O C6H5C-OH + CH3O18H
H
+
O C6H5C-O18H + H2O
该反应机理已被： ①同位素跟踪实验 ②羧酸与光活性醇的反应实验所证实。
O CH3C-OH + H-O CH3 H (CH2)5CH3 O CH3C-O CH3 H (CH2)5CH3


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，则反应速率的确定比较复杂，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率常 数。
动力学研究反应机理的常规顺序是：提出可
能的机理，并把实验得出的速率与根据不同 可能性推导得到的速率作比较。从而排除与 观测到的动力学不相符的机理。 局限性 反应机理动力学上的“相当”不能提供过渡 态的结构方面的信息。 对于某一反应，有关的几个机理可以推论出 同一种速率方程，这些机理是“动力学上相 当的”，所以只根据动力学是不可能作出选 择的。
RC O NH 2
O
NaO Br
RC O NHBr H2O
RC O NBr
O
-Br
R C N
R-N=C =O
RNHC OH
-C O2
RNH2
CH3 + C2H5F CH3 CH3 BF3 -80℃
CH3
CH3 H
+
C2H5 BF4CH3
σ-络合物
CH3
黄色，熔点-15℃
C2H5 + HBF4 CH3
HNO3 + 2H2SO4
2HNO3
HNO3 H2SO 4
NO2+ + H3O+ + 2HSO4
NO2+ + NO3 + H2O
NO2 + H2O
1HNMR证明下述反应为邻基参与，存在苯桥正离子。
HOAc CH2CH2OTs
+
H2C
CH2
CH2CH2OAC
反应为：邻基 参与历程！
d) 猜测中间体的验证
8. 同位素效应

由于同位素的存在而造成反应速率上的差别，叫做动力学 同位素效应（Kinetic isotope effect）。 最常用的是用氘来代替氕，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。 同位素效应分初级同位素效应和次级同位素效应。 初级同位素效应：在决定速度步骤中与同位素直接相连的 键发生断裂的反应中所观察到的效应, 其值通常在KH/KD为 2~7范围内。 次级同位素效应：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。