第5章_反应机理研究

经典化学动力学研究方法是从化学动力学的原始实验数据— —浓度与时间的关系出发，来分析获得某些反应动力学参 数——反应速率常数、活化能、指前因子等.这些参数是探 讨反应机理的有效数据。
20世纪前半叶，物理有机大量的研究工作都是对这些参数的 测定、理论分析以及利用参数来研究反应机理。
反应机理的研究的另一方面是关于研究方法和 实验手段的研究，主要是利用各种快速的探测 方法来研究化学反应是如何进行的. 可以检测出寿命只有10-6秒或10-9秒，甚至10-12 秒的中间物，从而来检测出化学反应的具体步 骤，这两个技术在67年获Nobel化学奖，
HOCH2CH2Cl
1.CH2N2 2.LiAlH4
1.K*CN HOCH2CH2*COOH 2.H2O/HCl
HOCH2CH2*CH2OH
p-CH3C6H4OK
OCH2CH2*CH2OH
1.SOCl2 2.NaI
OCH2CH2*CH2I
CH3
CH3
OCH2CH2 *CH2
1.Me3N 2.Ag2O/
A A B A + B B
+ +
nucleophilic heterolytic electrophilic free-radical mechanisms pericyclic
homolytic A B
A
B
C D
C D
C D
§有机反应的分类
1.取代反应
A X + A X + Y Y+
Nucleophilic substitution
CH3
例3 苯环亲核取代反应机理： Roberts , 1953年
Cl * NH2 * * NH2
KNH2/NH3 33C
产率相同
消去－加成反应机理可说明以上实验事实
Cl H
NH2
+ NH3 + Cl
NH2
H NH2
NH2
NH2
NH2
+ NH2
例4 碳烯结构状态的判断
14
H CH2
3
C CH2 CH3
第四章 有机反应机理的研究
内容提要
§有机反应的分类 §有机反应中间体的分类
§ 有机反应试剂的分类
§测定有机反应机理的方法
一、反应机理的提出
二、研究有机反应机理的方法
有机反应机理是物理有机化学主要的研究对象之 一.其主要的内容就是研究化学反应中,化学键是 如何断裂或如何生成的. 化学键的断裂和生成
A + B or A + B
1
14
H2C
H3C CH2
C CH2 CH3
H2C
14
14
H3C
CH2
C CH2 CH3
H3C CH2
14
C CH2 CH3
CH2
C CH2CH3 CH3
5.立体化学
例1 酯的AAl1水解反应机理
O CH3 * H3O+ CH3COC(CH2)3CH(CH3)2 C2H5
旋光化合物
CH3 CH3COOH HOC(CH2)3CH(CH3)2 C2H5
18
OH OH CH CH CH3
反应产物混合物用MS分析，有明显的碎片峰 （107和109）可以区别：
OH Ph CH
18
m/z=107
OH CH
m/z=109
Ph
由此推出环氧化合物酸催化和碱催化开环 反应机理。
2.中间体产物的确认 (1)中间体产物的确认方法 中间体的分离 证明中间体最有力的证据是 将其分离出来并加以鉴定，也可用其他方法来 制备所猜测的某个中间体，再让其在同样条件 下反应，判断能否以不低于原反应的速率得到 同样的产物。
6.动力学方法
(1)反应速率方程的确定 例1 动力学方法测定结构表明，联苯胺在 某条件下的重排反应对[H+]是二级的，所以任 何认为定速步骤中未涉及两个H＋参与的机理肯 定是不正确的。 (2)反应速率与反应机理 (3)反应速率与空间效应、构象效应
H H
COOH COOH
Cl-
COOH H Cl H COOH
Cl-
H
COOH H
HOOC
解释之三 亲电加成－消除
COOH H H H COOH
H H
COOH COOH
H+
H+
H
COOH H
HOOC
二、研究有机反应机理的方法 1.产物和副产物的鉴定 研究反应机理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 产物和副产物及其之间的比例。
-
-
OR'
HO C
R
OR'
O
过渡态
ROO- + R'OH
酰氧键断裂的途径之二
R HO- + C O OR' HO R C O OR'
活性中间体 （四面体构型）
O HO C R + R'O-
ROO- + R'OH
证据 羰基氧原子用 18 O标记的羧酸酯在普通水 结果有所降低，即存在不含18O的酯。 如果反应按途径1进行，没有活性中间体 质子交换的过程，就不会发生 18 O的交换。所
例1 酯的BAc2水解反应机理 证据1
O CH3CH2C
18
酰氧断裂(Ac)
OC2H5 + NaOH O
CH3CH2COH + C2H5O18H
证据2
O CH3C O(CH2)4CH3 + 18OHO CH3C
18
O- + CH3(CH2)4OH
酰氧键断裂的途径之一
R HO + C O
O HO C R + R'O
HN
例3
卤代烷的E2消除反应
CH3 H H3C CH3 NaOEt H3C H Br + C C C C D H EtOH D CH3 H H CH3 Br D CH3 H3C H 对式消除 C C D CH3 CH3 H3C H H H Br D H Br H3C H3C CH3 H CH3 对式消除 C C H H H3C H D
()
例2
氧化叔胺的Cope消除反应
同位素标记
N(CH3)2 O H D
N(CH3)2 O D H
D
H D
H
D H
立体化学
CH3 H3C H5C6 1 2 H C C H N(CH3)2 O
(1R,2S)-1-苯基-2-二甲氨基丁烷-N-氧化物
H 3C H 5C 6
C
96%
C
CH3 H
+
H3C H 5C6
中部分水解，然后测定未水解酯中 18 O的含量，
以，酯的碱性水解反应机理为 双分子酰氧断裂
(BAc2)。
18 -
O HO
18
O
18
水解
O
HO +C OR' R
C OR' R
质子交换
HO C R+R'O-
O H18O-+C R OR'
O
18
OH OR'
18
水解
OH
C R
O
C R+R'O-
活性中间体的稳定性↑→回收的酯中18O的 含量↓
Nucleophilic addition
A
B + W Y B + W Y W -Y
W Y A B
A
B + Y W
Free-radical addition
A
Y W A B
Y W A B
3. 消去反应
W X A B A
+
B + W + X
4. 重排反应
W A W A W A B A B A
+ +
W B W B W B
+
COOH Cl
HONO
?
Cl Cl
中间体的检测(Detecting
of an intermediate):
H CH3
H
CH3
+
1H
NMR几组峰？
CH3 络合物
1H
NMR: δ2.8 (s, 6H), 2.9 (s, 3H), 4.6 (s, 2H), 7.70 (s, 2H).
(2)中间体的确认与反应机理
_ A Y + X A Y + X+ A Y + X
Electrophilic substitution
A X +
. Y
Free-radical substitution
.
2. 加成反应
Y W Y A B
A
B + Y W
Eletrophilic addition
A
B + W Y
W Y A B
A
B + Y W
例1 苯环亲电取代反应中间体的获得
C2H5BF4 H+
5
例2 酰胺的Hofmann重排
O R C N
R N C O
H2O
O RNHCOH
RNH2 + CO2
3-2
中间体的捕获
Br H
(Traping of an intermediate):
N2 CO2
N2 + CO2
NH2-
O O
NH2
Cl
H C C CH3
0.1%
H 5C 6 H 3C H
C
C O
CH3 H N(CH3)2
(1S,2S)-1-苯基-2-二甲氨基丁烷-N-氧化物
H5C6 H3C
C C
90%
CH3 H
+
H3C H5C6
C C
2%
CH3 H
反应机理 E2顺式消除
C R N R O
C H
C C
+ R2NOH
O
反应时形成一个平 面五元环过渡态，离去 基团与-H必须在同侧， 且为重叠式。
例1
NO2
KCN 150 C
COOH
COOH R N2
R R
对产物和副产物结构鉴定，提出以下机理：
2
O NO2
CN-
O
O C N
N
H-
N
H+
O H C NH
H O N NH O
HO N
H N O
H2O
HO H N N O
HO O
溶剂
N N , H+
H COOH
例2
Ph Ph
O H218O CH CH CH3 18 OH OH CH CH CH3 Ph
B
A
5. 氧化和还原
§有机反应中间体的分类
1. 碳正离子：R＋，
2. 碳负离子：RLi, RMgBr, RCOCH2-, ROCOCH2-, ylide 3. 自由基: R. , RO. , R2N-O. , O2 4. 卡宾和氮烯: Cl2C: , RCOCH: ，PhCON： 5. 苯炔：
§ 有机反应试剂的分类
3.研究反应机理的基本步骤 (1)提出一个与已有实验事实及理论事实相 符的假设。 (2)设计并进行实验以检验所提出的机理假 设。 (3)根据实验结果对假设进行修正或推断。 4.实例 顺丁烯二酸与稀盐酸共热的异构化机理研 究 ，有以下几种可能的解释： 解释之一 反应是经光和热引发的重排 解释之二 亲核加成－消除
例2 烯丙基芳基醚的Claisen重排
14
OCH2CH

CH2
200℃
OH
14
CH2CH

CH2

CH3
CH3
OH
14
H5IO6 OsO4
CH2CHO HCHO
CH3
Claisen重排反应机理

O

O


O


H
Байду номын сангаас
H CH3
CH3
O H
CH3

酮式与烯醇式重排
反应物的合成
例 SN2反应 SN2反应中形成的五配位碳历来被认为是过渡 态形式。但最近有研究报告指出，五配位的 碳也有可能以较稳定的中间体形式出现。
O H3CO
OCH3 C OCH3 Me3O+BF4CH3O OCH3 H3CO C OCH3
＋ ＋
B2F7-
3.催化作用 根据催化剂的性质及其在反应中的作用可 以获得有关反应的信息。 4.同位素标记 同位素标记分子技术和跟踪同位素标记原 子在原料、中间体及产物中的位置，在追踪反 应物中的价键断裂和新键的原子来源中是十分 有力的工具，能得到其它方法难以得到的机理 信息。应用同位素标记方法需有固定位置的标 记化合物合成和化学反应后测量标记原子位置 的技术，D，14C，15N和 18 O等是最常用的同位 素。
1. 亲核试剂：Nu: (1) 所有的阴离子：HO-， RO-，CN-，X-， (EtOCO)2CH(2) 所有带孤对电子的物质：ROH, RNH2, H2O, RSR, RO3P (3)所有烷基金属化合物：Rli, RMgBr,RC=CNa
(4)烯烃和芳烃。
2. 亲电试剂: (1) 所有的阳离子：NO2, X, R, RC=O, (2) 所有的Lewis酸：BF3，SO3，FeCl3 (3)氧化剂：Fe3+, NO, NO2, SO2, X2
+ + + +
(4)卡宾： Cl2C:
§ 测定有机反应机理的方法
一、反应机理的提出 1.反应机理的提出 Lapworth；1903年对丙酮与氢氰酸的加 成反应和1904年对丙酮溴化反应的研究。
2.对反应机理合理性的判断 (1)提出的机理应明确解释所有已知的实验 事实，同时又尽可能简单，易于重复和证明。 (2)基元反应应是单分子或双分子的，通常 情况不必考虑涉及三个以上分子的其它反应。 (3)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。 (4)机理应有一定的预见性，当反应条件或 反应物结构改变时，应能对新反应的速度和产 物变化作出正确的预测。通过实验加以考察， 若不能确证也应证明其不正确性。
CH3 H Br NaOEt EtOH H D CH3
H CH3 H Br H D CH3 H3C
H3C H
Br
H C C CH3
+
H3C D
C
C
CH3 H
CH3 H D Br
对式消除
H3C H
H C C CH3
H3C H3C H
D H
对式消除
H3C D
C
C
CH3 H
6. 动力学方法
化学动力学研究化学反应的速率，揭露化学反应的机理，反 应速率的有关理论大家也比较熟悉，（如反应速率方程、活 化能等，在无机化学中已有介绍)。 反应机理的研究在于两个方面，一是对反应类型和反应物种 的研究，二是实验方法的研究。