第四章 有机反应机理的研究方法
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研究有机反应机理的方法可分为非动力学方法和动力学方法。
（一）非动力学方法
1. 产物的研究，包括副产物（Products, including by-products）
对某一反应提出的任何机理要能合理解释得到的所有产物，包括由副反应形成的产物在内。
若提出的机理不能解释少量乙烷在该反应中的形成原因, 那么这个机理就不可能是正确的。在 这种中性的反应条件下形成了碳碳键，最有可能是通过自由基的结合。这个反应的确被证明是经历 了自由基的链式反应。
2）中间体的检测（Detection）
有些中间体不可能被分离出来，比如，自由基、碳正离子、碳负离子、卡宾 等。现在可以利用NMR, IR, Raman, 顺磁共振等光谱手段检测其存在。（G. Olah 就是应用低温核磁共振的方法直接研究碳正离子中间体）， 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。 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
NO2+ + H3O+ + 2HSO4
2HNO3
NO2+ + NO3 + H2O
3）中间体的捕获（Trapping）
在反应中加入另一试剂（捕获剂，Trapping Agent），使中间体与捕获剂 反应生成稳定的产物，通过分离鉴定该产物来反推中间体的结构。例如，用双 烯的Diels-Alder反应捕获苯炔（Benzyne）中间体。
本章学习的目的并非是对有机化学中的各种具体的反应机理进行讨论，而 是要阐明研究有机反应机理的一般原理和方法。
一、为什么要研究反应机理？
1. 在有机合成方面：反应机理的知识常能指导我们选择反应条件以得到最 高产率或者提高反应的选择性
例如，亲核反应在不同的有机溶剂中有很大的差别，了解了反应机理中决 速步为负离子的进攻以及非质子性有机溶剂可以有效地溶剂化正离子，进而使 得亲核负离子更具活性以后，我们就知道应该选用什么样的溶剂来提高反应的 速率。
4）每一步骤在化学上应当是合理的（Chemistry Consideration）
这个准则可能需要很丰富的经验和直觉判断能力。大体上说, 我们可以 用类似反应的知识来判断。 一般来说, 所提出的机理应与类似反应的已知情况 相一致。当然, 不符合已知情况的反应机理也会偶然出现, 有时甚至会常常出现。 一个背离"正常"行为的发现就表示一个新的启示, 这种情况自然要求更有份量的 证据, 以便提出新的机理。在科学研究中，对于非正常现象的关注常常会导致新 的，甚至是重大的发现。
Dienone/phenol rearrangement 3. 机理方面的研究说明我们对化学问题的探讨已进入到分子实际上发生什 么变化和为什么发生这种变化的境界。
二、一些重要的基本概念
反应机理（Reaction Mechamism）：通过一系列的基元反应来实现化学 变化的详细过程。
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。
5）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。
四、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。
五、研究反应机理的基本方法
根据已知的实验事实提出一个合理的假设以后, 机理研究工作就进入设计实验以证实 这种假设的阶段。以下将介绍进行机理研究的一些实验方法。需要注意的是，虽然探讨机 理的许多技术经过多年的发展已经是相当标准化了, 但是在许多情况下最有力的证据却来 自对所讨论具体反应所专门设计的独特实验。
2. 中间体的确立（InterБайду номын сангаасediates）
中间体的确立在机理研究中往往具有决定性的意义，研究中间体通常有 如下几种方法。
1）分离（Separation）
反应进行一段时间后在其未完全反应之前停止, 将中间体分离出来进行结构 的确定。例如在下面的Hofmann 降解反应中, 中间体RC(O)NHBr 已被分离出来, 并将该中间体在同反应条件下反应得到相同的最终产物（这样的实验常常是必 需的，因为这样才能够确定分离得到的化合物的确是反应的中间体）。
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。
反应中间体（Reaction Intermediate）：由两个以上基元反应所组成的化 学反应中存在的最低能量的化学结构，其寿命长于典型的分子振动（10-13～1014秒）
三、确立反应机理的基本规则
1）简要原则（Simplicity Principle） 机理应尽可能地简单, 但仍能够解释全部的实验事实。如果有几个假设 与实验事实相相符, 那么就应当选择最简单的那一个。 2）基元反应应该不是单分子的就是双分子的（Elementary Step Must Be Either Unimolecule or Bimolecule） 由反应动力学可知，两个以上的分子按一定的取向同时碰撞发生反应的 机会是非常罕见的。例如，在一个大气压下，气相中双分子碰撞的几率比三 分子碰撞约大1000倍，因此仅有极个别的基元反应是三分子的。 3）每一步骤在能量上应该是合理的（Energy Consideration） 有机化学反应必须符合热力学的基本定律。虽然这些定律本身并没有被 证明，但它们是建立在无数的实验事实的基础之上的，具有与数学公理相似 的地位。
第四章 有机反应机理的研究方法
物理有机化学的基本任务是从某一有机化学反应所包含的化合物的基本物 理性质来解释引起这一化学变化的原因或者驱动力(Driving Force), 以及解释决 定这种化学变化速度的各种因素。物理有机化学以研究有机化学反应的详细历程 (Mechanism)来实现上述两个目的。
Deprotonation in different solvent
2. 反应机理的知识可以把表面上看起来互不相干的大量反应联系在一起
频那醇/频那酮（pinacolone）的重排反应，不同的起始物和反应条件生成同 样的产物，这些可以用共同的碳正离子中间体联系在一起。
碳正离子的1,2-迁移 反应也把二烯酮/酚重排 联系在一起。
（一）非动力学方法
1. 产物的研究，包括副产物（Products, including by-products）
对某一反应提出的任何机理要能合理解释得到的所有产物，包括由副反应形成的产物在内。
若提出的机理不能解释少量乙烷在该反应中的形成原因, 那么这个机理就不可能是正确的。在 这种中性的反应条件下形成了碳碳键，最有可能是通过自由基的结合。这个反应的确被证明是经历 了自由基的链式反应。
2）中间体的检测（Detection）
有些中间体不可能被分离出来，比如，自由基、碳正离子、碳负离子、卡宾 等。现在可以利用NMR, IR, Raman, 顺磁共振等光谱手段检测其存在。（G. Olah 就是应用低温核磁共振的方法直接研究碳正离子中间体）， 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。 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
NO2+ + H3O+ + 2HSO4
2HNO3
NO2+ + NO3 + H2O
3）中间体的捕获（Trapping）
在反应中加入另一试剂（捕获剂，Trapping Agent），使中间体与捕获剂 反应生成稳定的产物，通过分离鉴定该产物来反推中间体的结构。例如，用双 烯的Diels-Alder反应捕获苯炔（Benzyne）中间体。
本章学习的目的并非是对有机化学中的各种具体的反应机理进行讨论，而 是要阐明研究有机反应机理的一般原理和方法。
一、为什么要研究反应机理？
1. 在有机合成方面：反应机理的知识常能指导我们选择反应条件以得到最 高产率或者提高反应的选择性
例如，亲核反应在不同的有机溶剂中有很大的差别，了解了反应机理中决 速步为负离子的进攻以及非质子性有机溶剂可以有效地溶剂化正离子，进而使 得亲核负离子更具活性以后，我们就知道应该选用什么样的溶剂来提高反应的 速率。
4）每一步骤在化学上应当是合理的（Chemistry Consideration）
这个准则可能需要很丰富的经验和直觉判断能力。大体上说, 我们可以 用类似反应的知识来判断。 一般来说, 所提出的机理应与类似反应的已知情况 相一致。当然, 不符合已知情况的反应机理也会偶然出现, 有时甚至会常常出现。 一个背离"正常"行为的发现就表示一个新的启示, 这种情况自然要求更有份量的 证据, 以便提出新的机理。在科学研究中，对于非正常现象的关注常常会导致新 的，甚至是重大的发现。
Dienone/phenol rearrangement 3. 机理方面的研究说明我们对化学问题的探讨已进入到分子实际上发生什 么变化和为什么发生这种变化的境界。
二、一些重要的基本概念
反应机理（Reaction Mechamism）：通过一系列的基元反应来实现化学 变化的详细过程。
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。
5）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。
四、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。
五、研究反应机理的基本方法
根据已知的实验事实提出一个合理的假设以后, 机理研究工作就进入设计实验以证实 这种假设的阶段。以下将介绍进行机理研究的一些实验方法。需要注意的是，虽然探讨机 理的许多技术经过多年的发展已经是相当标准化了, 但是在许多情况下最有力的证据却来 自对所讨论具体反应所专门设计的独特实验。
2. 中间体的确立（InterБайду номын сангаасediates）
中间体的确立在机理研究中往往具有决定性的意义，研究中间体通常有 如下几种方法。
1）分离（Separation）
反应进行一段时间后在其未完全反应之前停止, 将中间体分离出来进行结构 的确定。例如在下面的Hofmann 降解反应中, 中间体RC(O)NHBr 已被分离出来, 并将该中间体在同反应条件下反应得到相同的最终产物（这样的实验常常是必 需的，因为这样才能够确定分离得到的化合物的确是反应的中间体）。
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。
反应中间体（Reaction Intermediate）：由两个以上基元反应所组成的化 学反应中存在的最低能量的化学结构，其寿命长于典型的分子振动（10-13～1014秒）
三、确立反应机理的基本规则
1）简要原则（Simplicity Principle） 机理应尽可能地简单, 但仍能够解释全部的实验事实。如果有几个假设 与实验事实相相符, 那么就应当选择最简单的那一个。 2）基元反应应该不是单分子的就是双分子的（Elementary Step Must Be Either Unimolecule or Bimolecule） 由反应动力学可知，两个以上的分子按一定的取向同时碰撞发生反应的 机会是非常罕见的。例如，在一个大气压下，气相中双分子碰撞的几率比三 分子碰撞约大1000倍，因此仅有极个别的基元反应是三分子的。 3）每一步骤在能量上应该是合理的（Energy Consideration） 有机化学反应必须符合热力学的基本定律。虽然这些定律本身并没有被 证明，但它们是建立在无数的实验事实的基础之上的，具有与数学公理相似 的地位。
第四章 有机反应机理的研究方法
物理有机化学的基本任务是从某一有机化学反应所包含的化合物的基本物 理性质来解释引起这一化学变化的原因或者驱动力(Driving Force), 以及解释决 定这种化学变化速度的各种因素。物理有机化学以研究有机化学反应的详细历程 (Mechanism)来实现上述两个目的。
Deprotonation in different solvent
2. 反应机理的知识可以把表面上看起来互不相干的大量反应联系在一起
频那醇/频那酮（pinacolone）的重排反应，不同的起始物和反应条件生成同 样的产物，这些可以用共同的碳正离子中间体联系在一起。
碳正离子的1,2-迁移 反应也把二烯酮/酚重排 联系在一起。