有机反应机理1

同位素的应用 动力学同位素效应
平衡同位素效应
同位素标记
活性中间体的研究 立体化学的研究 密切相关体系的研究
1.2 反应机理的分类与表示法
1.2.1 有机反应与机理的分类
1.2.2 有机反应机理的表示法
1.2.1 有机反应与机理的分类
按反应物与产物的关系分类 按反应机理分类
按反应物与产物的关系分类
O
● ●
H
N O HO N
O
起点落在某化学键中间：表示该化学键在反 应中断裂，电荷按箭头所示的方向转移
O
● ●
H
N O HO N
O
(3) 终点位置 终点落在某一原子上：表示电荷转移至该原子上 或由起点原子提供电子，在两原子间形成新的 化学键
O
● ●
H
N O HO N
O
终点落在某两原子中间：表示反应中电荷转 移到这两个原子之间，形成新的化学键
用 Ingold符号表示机理的多重性
一种符号多种机理
一种机理多种符号
IUPAC表示法
1989年，IUPAC推荐了一套表示反应机理的方法， 规定了近20种符号及其用法
Robert D. Guthrie, William P. Jencks. Acc Chem Res, 22(10), 1989:343~348
CH3 + H OH
机理？
取代反应（ substitution）
底物分子中以 键相连的原子或基团被新的原子或 基团取代的反应
取代反应实例
H3C H3C Ac2O AlCl3 O CH3 + HOAc
CO2Et S H O SCH3 Bu3SnH cat. AIBN
CO2Et
H
H
机理？
重排反应（rearrangement）
O
O
●●
O PhC Cl
N
O
N
Cl Ph
O
N
O Ph
机理
O
H
● ●N
O HO N
H2O
O
O
●●
O
O PhC Cl
N O Ph Cl
O
N
O
N O Ph
O Ph
O
H2O
●●
N H
书写反应式应注意的几个问题
(1) 注意分子式与结构式的关系
O RCO2R R O R
RSO2R
O O S R R
(2) 注意缩写符号
N
N
N
N
N H
N H
N H
N HN HNFra bibliotekH键自身的共振
O S A O S B
O
O
O
理解羰基碳的亲电性和DMSO作为偶极非质子溶剂 的作用
阅读反应式时应注意的一些问题 反应式通常会忽略一些不重要的反应产物 反应式通常不配平 通常只表示总反应，具体的反应步骤可能被忽略 反应产物可能是经过后处理得到的产物
富电子原子与键相邻时的共振
Me O
H H
Me O
H H
芳环的共振
Me Me Me
Me
侧链正，负离子或自由基与芳环的共振
Me H2C
H2C
Me
Me H2C
Me H2C
哪一共振结构稳定？
缺电子或富电子芳环的共振
O2N Me H
O2N Me H
O2N Me H
O2N Me H
哪一共振结构稳定？
芳杂环的共振
否 是
设计新的实验进一步验证假设
是
如果对假设中所有可实验验证的特征都作了实验 研究，则停止实验，接受所提出的机理假设
如何提出机理假设？
如何设计实验验证假设？
根据已有的实验事实提出机理假设 如何设计实验验证假设，就涉及到研究机理 的方法问题，这也是我们这门课要讨论的重点
研究机理的方法
动力学方法-速率 速率与温度的关系-活化参数 速率与浓度的关系-动力学方程
共振结构稳定性的判别 与判别Lewis结构稳定性的原则相同 ① B, C, N, O等满足八隅体规则的共振结构更稳定 ② 电中性共振结构较电荷分离的共振结构稳定 ③ 电负性原子带负电荷，电正性原子带正电荷较 稳定
缺电子原子与带未共享电子对的原子相邻时的共振
Me C Me Me C Me
MeO
MeO
第1章学习要点 1 什么是反应机理？研究反应机理有何意义？ 2 研究反应机理的步骤和方法 3 如何表示反应机理？ 4 共振结构，酸碱理论等概念 5 重要离子型反应的机理
1.1 反应机理的定义和研究机理的方法
1.1.1 定义 理想的机理模型： 建立体系所有原子空间位置与时间的函数关系， 可以求任意时刻体系中所有原子的空间位置
加成反应实例
HBr R R Br
R
HBr (BzO)2
O Ph CH3
R
Br
CH3MgBr
HO CH3 Ph CH3
机理？
消除反应（elimination) 底物分子中与两个原子或基团相连的键断裂，形 成一个新的 键，这样的反应称作消除反应
CH3 Ph OH cat. TsOH Ph H2C H
Robert B. Grossman. The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, p18, Springer-Verlag Press, New York: 2003
(3) 立体化学的表示
R R
R R
R R
trans, racemic
IUPAC表示机理的符号及意义见下表
符号 A D + * E N R e n r H h xh C P int SS {}
位置 中 中 中 中 下标 下标 下标 下标 下标 下标 下标 下标 下标 中 中 下标 下标 上标 中
意义 成键（associative） 断键（dissociative） 分步反应 分步反应（中间体寿命短） 亲电（eletrophilic） 亲核（nucleophilic） 均裂 同 E（周边原子上） 同 N（周边原子上） 同 R（周边原子上） 同 E（亲电试剂为 H） 同 h（周边原子上） H 与载体之间的断键或成键 扩散控制（结合） 扩散控制（离解） 紧密离子对 溶剂分隔离子对 速率控制步骤 重复的反应
课程介绍
讨论有机反应机理的不同角度 1 根据有机和结构理论讨论机理（基础有机化学和 结构有机化学） 2 逐一介绍不同反应的机理（高等有机化学） 3 以机理的研究方法为线索来讨论机理（物理有机 化学） 本课程以3为重点，兼顾1,2
主要参考书
1. 魏运洋，李建. 化学反应机理导论，科学出版社， 北京：2004
反应条件对反应速率有何影响
可以认为
反应机理是对组成一个化学反应的全部基元过程、 全部中间体（Int.）以及与中间体、反应物（R）和 产物（P）相关联的过渡态（TS）的总体描述
以上也可看作是反应机理的定义
1.1.2 研究机理的步骤和方法
研究机理的步骤
提出机理假设，使符合已知的事实 否
设计实验，验证假设
O S A O S B
式A和式B称作二甲亚砜的共振结构
共振结构与异构的区别
共振结构是为了更好地表示分子的真实结构而引进 的概念，是Lewis结构的补充 分子的真实结构是共振结构的加权平均，称作共 振杂化体，不能理解为分子一会儿取A的结构， 一会儿取B的结构
北京奥运会吉祥物为5个福娃，不能理解为有5个吉 祥物，而是5个福娃共同组成奥运吉祥物
1.2.2 有机反应机理的表示法
用符号表示
用反应式表示
用符号表示
用 Ingold符号表示 SN2：bimolecular nucleophilic substitution SN1: two step mechanism of nucleophilic substitution
E2：bimolecular elimination
如何书写复杂合成反应的机理 以苦马豆素合成反应为例
O
B －BH
H2C
CH
C
CH3
O
O
BH －B
O H 3C O
O
H 3C
O
O
H 3C
O
B －BH
O H 3C O
O CH2 O
BH
O
O
OH
O
H 2O
OH O
O
箭头的画法： (1) 方向：表示反应中电子转移的方向
O
H
● ●N
O HO N
O
(2) 起点位置：
起点落在某一原子上：表示该原子在反应 中给出电子
哪一共振结构更稳定？
注意不是所有带正电荷的原子都能接受一对电子， 例如硝基化合物的氮原子带正电但己达到八隅体结 构，不能接受电子
O N Me O
O N Me O
O N Me O
判断以下共振结构的稳定性
Me Me2N B Me Me2N B Me Me
右边的共振结构所有原子都满足八隅律（规则①） 更稳定
书写共振结构的原则 只考虑电子和未共享电子的转移，不考虑键的 变化，例如
O O O
以下涉及到键变化的互变不是共振，而是异构
O H O H
共振结构对分子真实结构的贡献
稳定的结构贡献大，例如丙酮的共振结构
O O O
第3个共振结构电负性大的O没有达到八隅体结构， 显然没有第2个共振结构合理 由于第2个共振结构贡献较大，因此，酮的羰基碳 具有亲电性，容易受亲核试剂进攻
DMSO的结构
O S A
硫原子的价壳层电子数为10，如果写成以下内盐的 形式，则所有原子的价壳层电子数都为8