高等有机化学 第3章_有机化学反应机理研究讲解
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《高等有机化学—反应和机理》(Bernard Miller)笔记
●Woodward-Hoffmann规则一：4n电子的热电环化反应，如果按照顺旋方式进行是允许的；4n+2电子的热电环化反应，如果按照对旋的方式进行时允许的。
●顺旋：多烯烃的末端碳原子或环烯烃的饱和碳原子，以相同方向(同为顺时针或同为逆时针)旋转成键或断键，这种方式称为顺旋。
顺旋：多烯烃的末端碳原子或环烯烃的饱和碳原子，以不相同方向旋转成键或断键，这种方式称为对旋。
●最高已占分子轨道(HOMO)在4n+2的体系中是对称的；最低未占分子轨道(LUMO)在4n+2的体系中是反对称的。
●前线轨道理论：忽略较低的能级轨道，只考虑HOMO。
前线轨道理论能简单、形象化，但是理论上不完善，在理论上应该有更精确的处理方法。
在电环化反应中，对旋是允许的，顺旋是禁阻的。
●轨道对称性守恒：反应物中的每个轨道的对称性，在反应后对称性保持不变。
●用相关图法处理电环化反应遵循轨道对称性守恒。
●相关图法处理4n+2体系的热环化反应(对旋)：以1,3,5-己三烯为例：(1)形成6个分子轨道(2)用能量最低的形成键，和的对称性相同，都是镜面对称的。
(3)是由6个原子轨道组成，键是2个原子轨道组成，故转化为时，可以想象其中有4个原子轨道的系数降低为0。
(4) 1,3,5-己三烯的，不能转化为1,3环己二烯的，因为前者的的对称性是镜面反对称，后者的的对称性是镜面对称，对称性不匹配。
故1,3,5-己三烯的事转化为1,3环己二烯的，同理1,3,5-己三烯的事转化为1,3环己二烯的(5)能量分配很合理，故反应是允许的。
用相关图法处理4n体系的热环化反应(对旋)：以1,3-丁二烯为例：(1)用能量最低的形成键(2)用1,3-丁二烯的形成环丁烯的；用1,3-丁二烯的形成环丁烯的。
理由同4n+2体系，因为对称性不守恒。
(3) 1,3-丁二烯的上有2个电子，而要形成的环丁烯的电子在上。
但是1,3-丁二烯要转化为环丁烯的，如果发生这样的转化，就会形成能量很高的环丁烯的激发态。
高等有机化学第三部分3-3.ppt
R-X + Y
. . R X
R +Y
R-X + Y（自由基离子形成）
.R + X
（电子转移）
RY
. or: R + Y-
RY
R Y +R X
R Y+ R X
10
SET的例证之一
.
Y
X +Y
.
(X=I, NO2等)
11
(四) 邻基参与机理（Neighboring-Group） 常有这样的情况： a.反应速度比预期的快 b.构型保留
3-3-1 饱和碳上的亲核取代反应
(一) SN2反应： 所谓双分子反应就是 V＝K[R-X][Y]
Y+ C X A
YCX B
Y C +X C
1) 背后进攻机理 2) 线型过渡态
1
1) 背后进攻机理
虽然SN2机理是在1937年由Hughs和Ingold 等人正式提出，但早在1893年Walden就发现了 这个取代反应中的构型翻转，所以现在人们又 称Walden翻转。
RX
RX
RX
R +X
紧密
松散
游离的离子
部分构型保留
消旋化
(溶液分隔)
部分保留和彻底的消旋化是SN1的特点。
注意：实际上很少纯粹的SN1或SN2反应，很多是二者都有。
9
（三）SET机理（Single Electron Transfer） 在亲核取代反应中有一类含有自由基或自由基
离子中间体，这类反应是通过SET机理进行的。
Allyl
40
Bn
120
* 位阻小的反应快，烯丙基反应快。
25
高等有机化学 第三章 亲核取代反应(2010)
31
R
CH3CH2 CH2=CHCH2
C6H5CH2
相对速度： 1
40
120
⑤ -C是桥头碳，分子的立体结构使亲核试
剂没有从背面进攻的可能，所以这样的化
合物不能按SN2反应历程进行反应。
L
32
（2）离去基团(L)的性质
一般来说，离去基团越容易离去，
SN2越快。反应时，L是带着原来与
相对速度: 1
410-1
310-2
110-5
其中，新戊基与异丁基相比，SN2的速度
大大下降，这也是位阻的结果。
28
② -C是不饱和碳，SN2很难发生。如乙烯基
卤化物和芳基卤化物都很难水解。
.. C=CH X
p- 共轭效应，X 很难离去
CH2=CH X
X
很难水解！
29
③ 若-C上连有C=O、CN等吸电子基团，
RX + Y:
例如
RY + X:
-
NaI CH3CHCH2CN acetone CH3CHCH2CN
Br
I
11
LiBr CH2OTs acetone
CH2Br
CH3CH(CH2)5CH3 + PhS - ethanol CH3CH(CH2)5CH3 SPh OTs
12
（3）正离子底物 + 中性亲核体
的条件。这种条件变化使负离子稳定性产
生差异，对于不同的卤素，影响程度是不
同的。卤原子愈小，影响程度愈大。所以 RCl、RBr 和RI在DMF中的相对活性差距， 与醇水溶液中的差距相比就大了。
38
（3）亲核试剂性质的影响
亲核试剂的亲核性愈强，浓度愈高，反
有机化学反应机理的研究
+0.06 -0.069 0
-0.27
-0.01 -0.17 0
I
COMe CF3 NO2
+0.352
+0.376 +0.43 +0.71
+0.276
+0.502 +0.54 +0.778
由表可知，凡σ为正值的原子团都是吸引电子的原子团，而 σ为负值的原子团都是排斥电子的原子团。
2、反应常数ρ
取代基常数σ定量地表示取代基的极性效应，只 取决于取代基的结构和位置，与反应类型和反应条 件无关。 • 研究取代苯甲酸酯的水解反应，建立了关系方程 哈密特（Hammett）方程： lgK/K0 = σρ 或 lgk/k0 = σρ K和K0、k/k0分别为取代苯甲酸酯和苯甲酸酯的水 解平衡常数和速率常数 • ρ称为反应常数，是反应对取代基极性效应的敏感 性的定量尺度，ρ决定于反应特性和条件，同一类 型的反应在相同条件下ρ值相同。
五、立体化学证据 从立体化学的信息获得有关机理的证明 根据化合物的构型、构象等变化作出理性的判断
空阻差别不大， 得热力学产物
樟脑衍生物 分子中羰基 的还原
六、动力学证据
• 研究各种反应因素，如浓度、压力、温度、催化剂等对 反应速度的影响。可以提供有关反应过程的信息。 • 反应速度是反应物消失的速度或产物生成的速度 。多步 反应中，决速步骤是反应速度最慢的一步。
第二节 热力学控制及动力学控制
某一反应物A在一定条件下可能转变成两种产物B和C
速率常数 kB<kC (形成C快于B)
平衡常数 KB>KC (B比C更稳定) B
A
C
1、反应初期
⊿G C ＜⊿GB (活化自由能) kC＞kB ， A转变成C较容易, [C]＞[B] 2、若平衡 主产物为C
-0.27
-0.01 -0.17 0
I
COMe CF3 NO2
+0.352
+0.376 +0.43 +0.71
+0.276
+0.502 +0.54 +0.778
由表可知，凡σ为正值的原子团都是吸引电子的原子团，而 σ为负值的原子团都是排斥电子的原子团。
2、反应常数ρ
取代基常数σ定量地表示取代基的极性效应，只 取决于取代基的结构和位置，与反应类型和反应条 件无关。 • 研究取代苯甲酸酯的水解反应，建立了关系方程 哈密特（Hammett）方程： lgK/K0 = σρ 或 lgk/k0 = σρ K和K0、k/k0分别为取代苯甲酸酯和苯甲酸酯的水 解平衡常数和速率常数 • ρ称为反应常数，是反应对取代基极性效应的敏感 性的定量尺度，ρ决定于反应特性和条件，同一类 型的反应在相同条件下ρ值相同。
五、立体化学证据 从立体化学的信息获得有关机理的证明 根据化合物的构型、构象等变化作出理性的判断
空阻差别不大， 得热力学产物
樟脑衍生物 分子中羰基 的还原
六、动力学证据
• 研究各种反应因素，如浓度、压力、温度、催化剂等对 反应速度的影响。可以提供有关反应过程的信息。 • 反应速度是反应物消失的速度或产物生成的速度 。多步 反应中，决速步骤是反应速度最慢的一步。
第二节 热力学控制及动力学控制
某一反应物A在一定条件下可能转变成两种产物B和C
速率常数 kB<kC (形成C快于B)
平衡常数 KB>KC (B比C更稳定) B
A
C
1、反应初期
⊿G C ＜⊿GB (活化自由能) kC＞kB ， A转变成C较容易, [C]＞[B] 2、若平衡 主产物为C
《有机反应机理》PPT课件
精选ppt
有机反应机理 22
热力学控制
当产物A能以一定的途径转变成产物B或生成 A和B的反应为可逆反应时，最终产物将受热力学 控制
精选ppt
有机反应机理 23
2.5.5 Hammond假设和过渡状态结构
过渡状态结构决定了：
反应速率 取代基效应 溶剂效应
精选ppt
有机反应机理 24
由于过渡状态寿命短，难以分离或检测，主要通过 以下一些途径间接推测过渡态的结构
例如，1,1’-偶氮丁烷的气相热分解， S=79.5J· mol－1·K－1 >0，表明C－N键的断裂 是 反应的速率控制步骤
B uNNB u B u NNB u
B u+N 2
精选ppt
有机反应机理 42
又如，叔丁基过氧化物的热分解， S =57.5J·mol－1·K－1，与以下机理相一致
(C H 3 )3 C OO C (C H 3 )3
解释有机化学中的一些基本定理，如
Markownikoff规则。 (2.5)
精选ppt
有机反应机理 2
2.5 与过渡状态理论有关的概念或推论
2.5.1 反应的自由能图与活泼中间体
根据过渡态理论，反应速率的快慢与反应的活化 自由能的大小有关
活化自由能是过渡态与反应物的自由能之差，通常 用反应的自由能图来表示反应过程中自由能的变化
精选ppt
有机反应机理 7
两步反应的自由能图与活泼中间体：
G
TS1 TS2
Int
R
P
q
精选ppt
有机反应机理 8
2.5.2 微观可逆性原理
文字描述：
相同条件下，正逆反应具有相同的反应途径
微观可逆性原理是过渡状态理论的必然推论，因为 相同条件下，体系的势能面是相同的，正逆反应的 最低能量途径必然也是相同的
有机化学反应的动力学和机理 ppt课件
虽然设想及判断反应机理是否合理，似乎靠
经验或直觉，但还是有一定的基本规则。
ppt课件
35
确定反应机理的基本规则
（1）简要原则（Simplicity Principle） 机理应尽可能简单，但能够解释全部实验
事实。 如果有几种假设或设想与实验事实都相符
合，则选择最简单的一个。
ppt课件
36
碳正离子、碳负离子、卡宾等，可利 用IR、NMR、ESR等技术检测其存在。
ppt课件
大多数化学家认为：
☛ 化学的真正核心就是研究反应机理，即测 定分子进行化学反应所发生的一些具体的 变化和相互作用。
☛ 如果完全描述一个有机反应的机理，必须
知道反应物分子转变为产物的全过程中所
有原子在不同时间的确切位置。
ppt课件
3
☛ 这是一个从来也没有完全实现过的目标！ ☛ 因为许多变化对于任何能直接监测的方
ppt课件
22
一些重要的基本概念：
（1）反应机理（Reaction Mechanism）— —通过一系列基元反应来实现的化学变 化的详细过程。
（2）基元反应（Elementary Reaction）— —只有一个过渡态而不包含任何中间体 的过程。
ppt课件
23
一些重要的基本概念：
（3）过渡态（Transition State）——在基元 反应过程中经历的具有最高势能的结构。
而过渡态发生在10-13s内完成。假设整个过 程放大1013倍。即过渡态在1s内完成，反应 的时间则为200万年。
ppt课件
27
600 1013 200 万年 365 24 60 60
目前直接用实验的方法研究过渡态是极为
第三章__有机化学反应
诱导效应的影响。
诱导效应不仅可以沿σ键链传递，同
样也可以通过 π键传递，而且由于π键电
子云流动性较大，因此不饱和键能更有效
地传递这种原子之间的相互影响。
②动态诱导效应。 在化学反应中，当进攻试剂接近时， 因外界电场的影响，也会使共价键上电子 云分布发生改变，键的极性发生变化，这 被称为动态诱导效应，也称可极化性，用 Id表示。
• • • •
3.2.1 亲核取代反应机理
此反应是亲核试剂对带有部分正电荷的碳原子进
行攻击，属于亲核取代反应，用 SN 表示。 R-L 是受攻 击对象，称为底物；把进行反应的碳原子称为中心碳
发生动态导效应时，外电场的方向 将决定键内电子云偏离方向。如果Id和Is 的作用方向一致时，将有助于化学反应
的进行。在两者的作用方向不一致时，
Id往往起主导作用。
③诱导效应的相对强度
对于静态诱导效应，其强度取决于原子或
基团的电负性。
（ a ）同周期的元素中，其电负性和 -Is 随族数的 增大而递增，但+Is则相反。如： －Is：—F＞—OH＞—NH2＞—CH3
亲核取代反应的类型 常见的亲核取代有以下四种类型： 1）中性底物与中性亲核试剂作用； R—L + Nu: → R—Nu+ + L2）中性底物与带负电荷的亲核试剂作用； R—L + Nu:- → R—Nu + L-: 3）带正电底物与中性试剂作用； RL+ + Nu: → RNu+ + L: 4）带正电底物与带负电亲核试剂作用； RL+ + Nu:- → R—Nu + L:
3.2 亲核取代反应 (Nucleophilic Substitution )
《有机反应机理》PPT课件
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
哪一步是速率控制步骤(rate determining step, rds)
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
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
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
自由基（ free-radical）反应 反应中伴随单电子转移过程 自由机反应可能为链反应，也可能为非链反应
周环（ pericyclic）反应 经由环状过渡态的协同反应
金属催化（metal-catalyzed）反应
由过渡金属催化或促进的各种反应
有些过渡金属 (如 TiCl4, FeCl3) 在反应中仅起Lewis 酸的作用；有些金属在反应中仅提供电子（如Na 和Li） 这些金属参与的反应一般分类为极性反应，周环 反应或自由基反应
IUPAC表示机Biblioteka 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 {}
高等有机化学——反应机理-3
Aldol reaction的立体化学
练习
（安息香缩合反应）
Retro-aldol 反应
Knoevenagel 缩合反应
（催化剂为三级胺时反应不好）
Knoevenagel 缩合反应
（E1cb消除）
共轭加成反应
Michael 加成反应
Robinson annulation
Robinson annulation
是加成-消除反应机理，不是SN2反应机理。
酯与胺反应生成酰胺
加成-消除反应的催化剂
（I- 也有类似作用）
Claisen 缩合反应
酯在碱的催化下缩合为β-酮酯。
逆Claisen缩合反应
格式试剂、金属负氢试剂对酯基的加成反应
格式试剂对酰胺的加成反应
α,β-不饱和羰基化合物的烯基碳上的取代反应
亲核性
ⅱ. 当亲核性原子的位阻变大时，亲核性大大下降，而碱 性 稍有增加。 亲核性：t-BuO- << EtO碱性：t-BuO- > EtO-;
iii 负电荷的离域使碱性大大下降；相对而言，亲核性则 只是部分下降
亲核性
iv. 非质子极性溶剂可以溶解阴离子，因此化合物的碱性 和亲核性都会增加，但亲核性增加得更多。
第一步（ Michael 加成反应）
Robinson annulation
第二步（ Aldol 加成反应）
Robinson annulation
第三步（ 脱水反应）
思考题
C(sp2）-X上的亲核取代反应
羰基碳上的取代反应
许多羰基化合物（如：酯、酰氯、酰胺、酸酐）里，羰基连有离去基团， 羰基碳上带有一定的正电性，有利于亲核试剂的进攻，发生亲核取代反应。
有机化学反应机理(总结最好的)(共143张PPT)详解
实例：卤代烃双分子亲核取代反应的反应机理（SN2）
C6H13
H Br
C6H13 H HO CH3 Br HO
C6H13 H
HO - +
H3C
+ Br CH3
有两种分子参与了决定反应速度关键步骤的亲核取代反应 称为SN2 反应
构型保持和构型翻转
n-C6H13 H CH3
n-C6H13 H CH3
C
慢
N O O NO2
在芳香亲核取代反应中，吸电子基是一个 活化的邻对位定位基。
应用实例
O2N
OC2H5 + H2N NO2
-X
O OCH3
180 C
o
O2N
HN NO2
+ EtOH
HX
HO OCH3
-NO2
HNO2
SN1Ar反应机理
[C6H5N2]+ClF
HBF4
[C6H5N2] BF4
+
-
-N2
常用的催化剂有盐酸 、硫酸、苯磺酸等
CH3COOH + C2H5OH 投料 1 1 ： ： 1 10
H+
CH3COOC2H5 + H2O 产率 67% 97%
酯化反应是一个可逆的反应，为了使正反应有利， 通常采用的手段是： ①使原料之一过量； ②不断移走产物（例如除水；乙酸乙酯、乙酸、水 可形成三元恒沸物 bp 70.4℃）。
2 H 2SO4
— H 3O + HSO 4 + SO3
SO3H
稀 H2SO4 100 - 170oC
+ H2SO4
6 1,2-环氧化合物的开环反应
环氧乙烷类化合物的三元环结构使各原子的轨道不能正面充 分重叠，而是以弯曲键相互连结，由于这种关系，分子中存在一 种张力，极易与多种试剂反应，把环打开。酸催化开环反应时， 首先环氧化物的氧原子质子化，然后亲核试剂向C−O键的碳原子 的背后进攻取代基较多的环碳原子，发生SN2反应生成开环产物。 这是一个SN2反应，但具有SN1的性质，电子效应控制了产物，空 间因素不重要。碱性开环时，亲核试剂选择进攻取代基较少的环 碳原子，C−O键的断裂与亲核试剂和环碳原子之间键的形成几乎 同时进行，并生成产物。这是一个 SN2反应，空间效应控制了反 应。
沈阳药科大学高等有机化学课件(胡春版)——第三章 有机反应总论
三、反应机理的研究方法 3. 同位素标记
在机理研究中常常用同位素效应和同位数标记来 确定反应历程。
三、反应机理的研究方法 3. 同位素标记
（1）同位素效应
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 效应分一级同位素效应和二级同位素效应。 一级同位素效应：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或更高。 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。
N
CN
-
-
O
+
O C-
O N
O C N H
N
hydrolysis ( NH
3
)
H OH O H
+
O H C O
-
N
O C
N O
O hydrolysis COOH + NO 2
-
an acyl nit rit e
Rosenblum Observations (1960)
Observation I: Inst ead of nit rite, molecular nit rogen was a by-product of t he von Richt er reaction. Apparent ly, in t he 1871 von Richt er paper, nitrit e had never been demonstrated to be a by-product. It had been deduced based on stoichiometry considerations. In t he revised Bunnet t mechanism, amm onia and nit rit e are stipulat ed by-products of the von Richter reaction. Ammonia and nit rit e can react t o form ammonium nitrit e which, upon heat ing, decom poses t o give molecular nitrogen and wat er. NH 3 t o an on-going von Richt er reaction, Upon addit ion of t he only molecular nit rogen obt ained contained no nitrogen-15! If t he revised Bunnet t mechanism were correct , the added NH 3 and the expelled NO 2 (from t he last st ep) should have produced N
有机反应机理教学课件
06 有机反应中的空 间效应和立体化 学效应
空间效应对有机反应的影响
分子内空间结构影响
空间结构的不同会导致有机分子在反应过程中受到空间阻碍，从 而影响反应速率和产物构型。
分子间相互作用
分子间的相互作用如氢键、离子键和偶极相互作用等会影响有机分 子的空间构型和反应性能。
溶剂效应
不同溶剂对有机反应的影响也与空间效应有关，因为溶剂分子会与 反应物分子相互作用，影响其空间构型和反应活性。
例如，通过核磁共振谱技术可以研究芳香族化合物的取代反应机理，确定反应中间体的结构以及反应速 率与底物结构的关系。
质谱技术在有机反应机理研究中的应用
质谱技术简介
质谱技术是一种利用离子化技术 将分子转化为带电离子，然后通 过电场和磁场的作用，对离子进 行分离和检测的技术。
质谱技术在有机反应 机理研究中的应用
在有机反应机理研究中，质谱技 术可用于确定反应产物的分子量 和官能团结构，分析反应中间体 的性质和结构，以及推断反应机 理的过程。
研究实例
例如，通过质谱技术可以研究脂 肪族化合物的氧化反应机理，确 定反应产物的分子量和官能团结 构，以及分析反应中间体的性质 和结构。
紫外可见光谱技术在有机反应机理研究中的应用
02
反应步骤
自由基加成反应一般分为两步：自由 基引发和自由基加成。在自由基引发 阶段，产生自由基；在自由基加成阶 段，自由基与有机分子进行加成反应 。
03
影响因素
温度、光照、催化剂等环境因素都会 影响自由基加成反应的速率和选择性 。
04 消除反应机理
热消除反应机理
01
热消除反应是加热使分子内张 力增加，使分子结构不稳定， 促使反应发生。
详细描述
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一、Bronsted酸碱定义 1、酸、碱：凡是能给出质子的叫酸；凡是能接受质子叫碱。 2、强弱概念：看给出质子和接受质子能力的强弱。 3、共轭酸碱概念：强酸的共轭碱必是弱碱，强碱的共轭酸必 是 弱酸， 4、酸碱的概念是相对的，在不同的反应中角色可不同
二、路易斯酸碱定义
1、概念： 凡是能接受外来电子对的叫路易斯酸；能给予电子对的叫路易 斯碱。 2、与有机反应试剂性质的关系： 路易斯碱一般是亲核试剂；路易斯酸一般是亲电试剂
CH3CH2COO-H + OHCH3CH2O-H + OH-
CH3CH2-Cl + OHCH3CH2-OH + ClCH3CH2-OH2+ + Cl-
3、与布伦斯特酸碱概念的区别： 路易斯定义碱一般就是布伦斯特定义碱；但酸的概念不同。
NH3 、OH- 、既是路易斯碱也是布伦斯特碱 HCl、H2SO4是属于布伦斯特定义的酸，但只有它的H+才是 路易斯定义的酸。
三、酸碱强弱与酸碱反应
1、酸强度的表示法：
HA + H2O
H3O+ + A
*Ka：值大，酸性强，否则相反。
取代
结论：形成烯醇化物是控制速率步骤。
3、溶剂同位素效应 定义:溶剂由H2O 变为 D2O ；ROH变为 ROD时，
反应速率发生变化的作用
2H2O 2D2O
H3O+ + HOD3O+ + HO-
kH / kD =6.5
说明:两者的电离程度不同，水大于重水。 水碱性大于重水，络合正离子能力大于重水。
例如：对于下列反应，实际上还有少量乙烷生成：
CH4 + Cl2 hv CH3Cl + CH3CH3
若提出的机理不能解释少量乙烷在这个反应中形成的 原因，那么这个机理不可能是正确的。
(CH3. + CH3.
CH3-CH3 )
二、中间体的确定： 确定中间体是否存在，确定中间体结构的方法有以下 几种
1、将中间体分离出来 2、用四大谱检测中间体的存在和相应结构 3、中间体的捕获（加入捕获剂，使其与中间体
3-1有机反应机理分类
一、机理 分类
根据键断裂的方式： 或进攻试剂的性质
离子型反应 自由基历程
周环反应
根据反应物和生成物的关系
取代反应 加成反应 消去反应 重排反应
二、试剂分类
亲核试剂: 带负电荷、带有孤对电子的、富电子的、路易斯碱
HO- . RO- CN- ROH R3N H- -C=CR
亲电试剂：带正电荷 、缺电子的、路易斯酸 H+ . Br+ . +NO2 . SO3 BF3 B2H6 Hg(OAc)2
第三章 有机反应机理的研究
§ 3-1 有机反应机理类型 § 3-2 确定有机反应机理的方法 § 3-3 动力学和热力学控制 § 3-4 取代基效应和线性自由能关系 § 3-5 有机酸碱
概述 反应机理是研究反应发生的实际过程。它包括哪些键断裂和生 成，以什么样的顺序进行。有几步反应，它的立体化学要求如 何？反应结合点在在哪里？哪些因素会影响反应的速度？ 研究反应机理能帮助我们把许多表面看起来毫不相关的反应联 系在一起，找出共同的规律，用以指导反应条件的选择，达到 提高产率的目的，并为合成新化合物提供理论依据。
2）溶剂化原理：能结合正离子，但不能溶剂化负离子， 负离子是裸露的，有利于SN2反应。
例：在0oC下、CH3I和N3-离子的反应速度常数 在甲醇溶剂中：1 在二甲基亚砜中：45X104
（因它们只能与正性部份或正离子进行溶剂化；由于
空阻作用，不能与负离子进行溶剂化作用。因此负离
子是裸露的，进攻性特强.） O- H H
3-2热力学控制与动力学控制
二、热力学控制反应： 以产物稳定性取胜
一、动力学控制反应： 以活化能低取胜
CH2 CH CH CH2 HCl CH3 CH CH CH2Cl + CH3 CH CH CH2
1,4-加成
Cl 1,2-加成
(-80oC) 20%
80%
(20oC) 80%
20%
三、反应能量曲线：（见下页） 四、常见：萘的磺化反应、苯的烷基化反应。
lg k
k0
lg K , because 1, so lg K
K0
K0
：取代基常数，反映了取代基对苯甲酸电离常数的影响
：反映了反应对取代基效应的敏感程度。同类反应为定值。
四、通过线性自由能关系式测定σ值
若σ值为正，说明取代苯甲酸的电离常数大于苯甲酸，该取代基 为吸电基； σ值越大，吸电能力越强。
如不能分离,也不能捕获, 也可以用检测的办法. 现在可 以用NMR, IR, Raman, 顺磁共振等光谱做反应的实时检测. 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 做. 以前例如用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.
HNO3 + 2H2SO4 2HNO3
三、质子极性溶剂和非质子极性溶剂
1、质子极性溶剂
1）分子结构：含有O-H、N-H等、既是氢键的给予体，又是 氢键的受体
2）作用原理：
通过氢键缔合，它主要促进键的破裂。可以稳定正离子， 也可稳定负离子。有利于SN1反应；但不利于负离子作为亲 核试剂 的SN2。
2、非质子极性溶剂
1）分子结构：不含质子，但存在孤对电子。只是氢键受 体，不是氢键的给予体。
CH3
HO C H + I
C2H5
(S)-2-丁醇
说明：氢氧根离子从 背后进攻、协同反应
六、化学热力学
通过反应中
H 、 S 、 G 的变化来求得反应机理
的信息。
- H = 键 能 生 成 - 键 能 断 裂
负值：放热反应， 正值：吸热反应 放热反应比吸热反应易进行
G = H-T S
自由能值越大，K值就越小，说明对反应不利。
反应） 4、可能中间体的合成
a) 分离出中间体
例如，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.
RCONH2 NaOBr RCONHBr
O
RCN
R-N=C=O H2O
RCONBr -Br
O
RNHC
Ka
[H 3O ][ A ] [HA]
*pka= –lgKa ：值越小酸性强；否则相反。
2、碱强度表示法 RNH2+ H2O Kb RNH3+ + OH-
*pKb：值越小，碱性强。它的共轭酸酸性就弱； * pka：RN+H3：值越大，是强碱。
3、酸碱反应进行方向的预测
强碱 A + 强酸 B
NO2+ + H3O+ + 2HSO4 NO2+ + NO3 + H2O
三、催化作用：催化机理与催化剂的作用相符
OR-C-CN
CNR-CHO + HCN
H+
OH RC H
H+
R-CH-CN
CN-
OH
结论：加碱催化使反应加速：说明反应机理是亲核加成
四、同位素标记：
14C、18O 确定反应原子的去向和键断裂位置
* Cl NaNH2 H
* NH3
* NH2
* NH2
*
+
~50%
~50% NH2
说明：机理是先形成苯炔，然后再发生与氨加成
五、立体化学 根据化合物的构型变化可以推断反应物变化的方式，键断裂和 形成的方向。 2-碘丁烷的碱性水解反应：现象构型转化。
CH3
HO + C I
H C2H5
(R)-2-碘丁醇
熵值大小：提供反应类型的信息：
分解反应 消除反应
S 8~17 S -3~4
重排反应 结合反应
S -20~0 S -20~-5
七、化学动力学
可以获得在控制速率步骤中，哪些分子和有多少分子参与 了反应的信息。
例：实验发现1o、2o卤代烃碱性水解时，二级反应，由此可
推出它是两分子亲核取代反应；而3o卤代烃水解时，反应速度与
非O-H、C-H、 N-H键断裂的反 应时
当分子中氢被重氢置换 时，反应速率往往发生 较大改变。
kH / kD= 1 -8
当分子中氢被重氢置换时，反 应速率
kH / kD = 0 -1.5
1、重氢同位素效应
2、次级同位素效应
重氢同位素值越大,说明关键步骤中有X-H键的断裂
例1：丙酮-H的溴代反应历程
二、介电常数与溶剂效应
1、介电常数大小的物理意义： 表示溶剂极性大小，介电常数越大，极性也越大。 >15为极性溶剂; <15为非极性溶剂.
环已烷 2.01 ；水78.55 ；乙酐20.7 ；DMF 36.7 是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。
正、负离子在介电常数大的溶剂中静电引力小，有利于电离 和分开。
C H
+ N
C
H
H CH
O-
H
S + H
HC
C
HH H
H
练习：
1、比较下列碱性基团的碱性大小
Cl- 、CH3COO- 、OH2、机理分析：同位素示踪在反应机理的研究中起到十分
重要的作用，请给出以下反应的机理
O
H3C
CH3
H3O18
O18
H3C
CH3
3、根据酸碱反应的规律，判断下列反应能否进行？
可能的历程是： 1）控制速率步骤中是溴直接进攻-H
二、路易斯酸碱定义
1、概念： 凡是能接受外来电子对的叫路易斯酸；能给予电子对的叫路易 斯碱。 2、与有机反应试剂性质的关系： 路易斯碱一般是亲核试剂；路易斯酸一般是亲电试剂
CH3CH2COO-H + OHCH3CH2O-H + OH-
CH3CH2-Cl + OHCH3CH2-OH + ClCH3CH2-OH2+ + Cl-
3、与布伦斯特酸碱概念的区别： 路易斯定义碱一般就是布伦斯特定义碱；但酸的概念不同。
NH3 、OH- 、既是路易斯碱也是布伦斯特碱 HCl、H2SO4是属于布伦斯特定义的酸，但只有它的H+才是 路易斯定义的酸。
三、酸碱强弱与酸碱反应
1、酸强度的表示法：
HA + H2O
H3O+ + A
*Ka：值大，酸性强，否则相反。
取代
结论：形成烯醇化物是控制速率步骤。
3、溶剂同位素效应 定义:溶剂由H2O 变为 D2O ；ROH变为 ROD时，
反应速率发生变化的作用
2H2O 2D2O
H3O+ + HOD3O+ + HO-
kH / kD =6.5
说明:两者的电离程度不同，水大于重水。 水碱性大于重水，络合正离子能力大于重水。
例如：对于下列反应，实际上还有少量乙烷生成：
CH4 + Cl2 hv CH3Cl + CH3CH3
若提出的机理不能解释少量乙烷在这个反应中形成的 原因，那么这个机理不可能是正确的。
(CH3. + CH3.
CH3-CH3 )
二、中间体的确定： 确定中间体是否存在，确定中间体结构的方法有以下 几种
1、将中间体分离出来 2、用四大谱检测中间体的存在和相应结构 3、中间体的捕获（加入捕获剂，使其与中间体
3-1有机反应机理分类
一、机理 分类
根据键断裂的方式： 或进攻试剂的性质
离子型反应 自由基历程
周环反应
根据反应物和生成物的关系
取代反应 加成反应 消去反应 重排反应
二、试剂分类
亲核试剂: 带负电荷、带有孤对电子的、富电子的、路易斯碱
HO- . RO- CN- ROH R3N H- -C=CR
亲电试剂：带正电荷 、缺电子的、路易斯酸 H+ . Br+ . +NO2 . SO3 BF3 B2H6 Hg(OAc)2
第三章 有机反应机理的研究
§ 3-1 有机反应机理类型 § 3-2 确定有机反应机理的方法 § 3-3 动力学和热力学控制 § 3-4 取代基效应和线性自由能关系 § 3-5 有机酸碱
概述 反应机理是研究反应发生的实际过程。它包括哪些键断裂和生 成，以什么样的顺序进行。有几步反应，它的立体化学要求如 何？反应结合点在在哪里？哪些因素会影响反应的速度？ 研究反应机理能帮助我们把许多表面看起来毫不相关的反应联 系在一起，找出共同的规律，用以指导反应条件的选择，达到 提高产率的目的，并为合成新化合物提供理论依据。
2）溶剂化原理：能结合正离子，但不能溶剂化负离子， 负离子是裸露的，有利于SN2反应。
例：在0oC下、CH3I和N3-离子的反应速度常数 在甲醇溶剂中：1 在二甲基亚砜中：45X104
（因它们只能与正性部份或正离子进行溶剂化；由于
空阻作用，不能与负离子进行溶剂化作用。因此负离
子是裸露的，进攻性特强.） O- H H
3-2热力学控制与动力学控制
二、热力学控制反应： 以产物稳定性取胜
一、动力学控制反应： 以活化能低取胜
CH2 CH CH CH2 HCl CH3 CH CH CH2Cl + CH3 CH CH CH2
1,4-加成
Cl 1,2-加成
(-80oC) 20%
80%
(20oC) 80%
20%
三、反应能量曲线：（见下页） 四、常见：萘的磺化反应、苯的烷基化反应。
lg k
k0
lg K , because 1, so lg K
K0
K0
：取代基常数，反映了取代基对苯甲酸电离常数的影响
：反映了反应对取代基效应的敏感程度。同类反应为定值。
四、通过线性自由能关系式测定σ值
若σ值为正，说明取代苯甲酸的电离常数大于苯甲酸，该取代基 为吸电基； σ值越大，吸电能力越强。
如不能分离,也不能捕获, 也可以用检测的办法. 现在可 以用NMR, IR, Raman, 顺磁共振等光谱做反应的实时检测. 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 做. 以前例如用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.
HNO3 + 2H2SO4 2HNO3
三、质子极性溶剂和非质子极性溶剂
1、质子极性溶剂
1）分子结构：含有O-H、N-H等、既是氢键的给予体，又是 氢键的受体
2）作用原理：
通过氢键缔合，它主要促进键的破裂。可以稳定正离子， 也可稳定负离子。有利于SN1反应；但不利于负离子作为亲 核试剂 的SN2。
2、非质子极性溶剂
1）分子结构：不含质子，但存在孤对电子。只是氢键受 体，不是氢键的给予体。
CH3
HO C H + I
C2H5
(S)-2-丁醇
说明：氢氧根离子从 背后进攻、协同反应
六、化学热力学
通过反应中
H 、 S 、 G 的变化来求得反应机理
的信息。
- H = 键 能 生 成 - 键 能 断 裂
负值：放热反应， 正值：吸热反应 放热反应比吸热反应易进行
G = H-T S
自由能值越大，K值就越小，说明对反应不利。
反应） 4、可能中间体的合成
a) 分离出中间体
例如，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.
RCONH2 NaOBr RCONHBr
O
RCN
R-N=C=O H2O
RCONBr -Br
O
RNHC
Ka
[H 3O ][ A ] [HA]
*pka= –lgKa ：值越小酸性强；否则相反。
2、碱强度表示法 RNH2+ H2O Kb RNH3+ + OH-
*pKb：值越小，碱性强。它的共轭酸酸性就弱； * pka：RN+H3：值越大，是强碱。
3、酸碱反应进行方向的预测
强碱 A + 强酸 B
NO2+ + H3O+ + 2HSO4 NO2+ + NO3 + H2O
三、催化作用：催化机理与催化剂的作用相符
OR-C-CN
CNR-CHO + HCN
H+
OH RC H
H+
R-CH-CN
CN-
OH
结论：加碱催化使反应加速：说明反应机理是亲核加成
四、同位素标记：
14C、18O 确定反应原子的去向和键断裂位置
* Cl NaNH2 H
* NH3
* NH2
* NH2
*
+
~50%
~50% NH2
说明：机理是先形成苯炔，然后再发生与氨加成
五、立体化学 根据化合物的构型变化可以推断反应物变化的方式，键断裂和 形成的方向。 2-碘丁烷的碱性水解反应：现象构型转化。
CH3
HO + C I
H C2H5
(R)-2-碘丁醇
熵值大小：提供反应类型的信息：
分解反应 消除反应
S 8~17 S -3~4
重排反应 结合反应
S -20~0 S -20~-5
七、化学动力学
可以获得在控制速率步骤中，哪些分子和有多少分子参与 了反应的信息。
例：实验发现1o、2o卤代烃碱性水解时，二级反应，由此可
推出它是两分子亲核取代反应；而3o卤代烃水解时，反应速度与
非O-H、C-H、 N-H键断裂的反 应时
当分子中氢被重氢置换 时，反应速率往往发生 较大改变。
kH / kD= 1 -8
当分子中氢被重氢置换时，反 应速率
kH / kD = 0 -1.5
1、重氢同位素效应
2、次级同位素效应
重氢同位素值越大,说明关键步骤中有X-H键的断裂
例1：丙酮-H的溴代反应历程
二、介电常数与溶剂效应
1、介电常数大小的物理意义： 表示溶剂极性大小，介电常数越大，极性也越大。 >15为极性溶剂; <15为非极性溶剂.
环已烷 2.01 ；水78.55 ；乙酐20.7 ；DMF 36.7 是衡量溶剂隔离正负离子的能力，即：溶剂稳定离子的能力。
正、负离子在介电常数大的溶剂中静电引力小，有利于电离 和分开。
C H
+ N
C
H
H CH
O-
H
S + H
HC
C
HH H
H
练习：
1、比较下列碱性基团的碱性大小
Cl- 、CH3COO- 、OH2、机理分析：同位素示踪在反应机理的研究中起到十分
重要的作用，请给出以下反应的机理
O
H3C
CH3
H3O18
O18
H3C
CH3
3、根据酸碱反应的规律，判断下列反应能否进行？
可能的历程是： 1）控制速率步骤中是溴直接进攻-H