有机化学反应的动力学和机理

E
R
I
I Intermediate R Reactant P Product
R
R
I
I
P
A two-step reaction
反应坐标图中，有关过渡态和中间体的
信息对了解反应机理至关重要。
但是，这些中间过程发生在极短的时间
内，所以，对于其相关的研究非常有挑 战性。
比喻：
如果一个反应在10分钟内完成（严格的说
例如（Matin Newcomb，JACS，1992,
114, 10915.：
Ph Ph 4× 11s（ ） 10 25℃ Ph Ph
动力学数据知道二苯基环烷基甲基自由
基的寿命只有2.5×10-12s）。目前的实
验技术基本上无法看到如此短寿命的中
间体，
提出合理的反应机理
最尖端的技术使得直接观察反应的详细历
☛ 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。
☛ 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 法来说发生的太快。
定的取向同时碰撞发生反应的机会非常罕 见。只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都是合理的 （Energy Consideration）
有机化学反应需要符合热力学的基本定律。
虽然这些定律本身并没有被证明，但是它 们是建立在无数的实验wenku.baidu.com实基础之上的， 具有与数学公理相似的地位。
☛ 碳正离子的重排反应机理，可以将表面 上不同的二烯酮/酚的重排反应联系在一 起了。 例如：
O H R R R R OH
☛ 从机理来看，经历了相同的1,2-迁移反应，
属于同一类。
O H OH OH
R
R
R
R OH
R
R
1,2-Shift R R
为什么研究反应机理：
（3）反应机理方面的研究说明，我们对化
（4）每一步骤在化学上应该合理的 （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，我们可以用类似的反 应知识来判断。
一般地，所提出的机理应与类似反应的已
知情况一致。
但是注意，不符合已知情况的反应机理也
会偶然出现，有时甚至常常出现，一个背
例如格式试剂与酮的反应： ☛ 这些实验事实可以表明除了简单的极性 历程外，还可能有自由基途径。 ☛ 金属镁的纯度对反应也有很大影响，微 量的过渡金属杂质的存在有利于片呐醇的
生成。
Radical anion
Electron Transfer C O Ar Ar
Radical cation
Ar R MgX +
Trapping Agent），使中间体与加入的 试剂反应生成稳定的产物，分离鉴定 该产物推断中间体的存在及其结构。 如苯炔的证明。
④
独立合成（Independent Synthesis）
如果推测某反应有某个可能的中间体，
且有可能用另外一条独立的路线合成 中间体，并使之在相同条件下反应， 如果提出机理正确，那么得到相同的 产物。。
例如：
☛ 片呐醇的重排反应，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。
OH Me
Me Me
Me OH OH Me Me Br OH Me Me Me Me NH 2 Me Me
OH Me Me
Me 1,2-Shift Me Me
O
Me Me Me
• 反应物不同，反应条件不同，产物相同。
的亲核试剂进攻及非质子极性溶剂可以有
效地溶剂化正离子，使得亲核负离子更具
有活性以后，我们就知道选用什么样的溶
剂来奇高反应的速率。
Me MeONa Ph H CN Ph
Me CN + MeOH
• DMSO中反应速率为甲醇中的109倍。
为什么研究反应机理：
（2）反应机理的知识可以将表面上看来互
不相干的大量反应联系在一起。
例如：
环戊醇在HgO/I2作用下生成次碘酸酯
（Hypoiodite），进一步光照后形成烷 氧基自由基，再经一系列反应最终生成 碘代甲酸酯。
OH + HgO + I2 hv
I
O C H O
Proposed Mechanism：
C O Ar
R MgX
Ar C O Ar R MgX
Reaction inside solvent cage Ar
OMgX C Ar R H2O T.M.
Ar C O Ar R MgX
Diffusion
Ar Ar C O MgX + R
R
Hydrogen abstract reaction
Ar
RH
（10-12s）。
例如：
Matin Newcomb等运用激光闪光技术的
方法测量了一系列快速自由基单分子重
排的速率常数，再结合间接地动力学研 究手段，得到二苯基环丙烷基甲基自由 的重排速率常数为4×1011s，这是最快 的单分子重排反应之一，接近于单分子 重排反应速率极限（6.3×1012s）。
的（SN1SN2）？相对于碘的原来位置羟基接
到碳原子的什么位置（如何推断）？还有这
个反应为什么会发生，特别是为什么能按提
出的机理所描述的具体方式发生（反应本
质）？
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。
确定反应机理的基本规则
（1）简要原则（Simplicity Principle）
内。
例如：
CH4 + Cl2 hv CH3Cl + CH3CH3 (Trace）
如果提出的机理不能解释少量的乙烷形
成的原因，则该机理就不可能正确。这种 中性的反应条件下形了碳碳键，最有可能 的机理就是自由基结合。
研究反应机理的基本方法
（2）中间体的确立（Intermediates）

中间体的确立在机理研究中十分重要，
有机化学反应的动 力学和机理
研究机理的基本任务
（1）有机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）。
（2）解释决定这种化学变化速度的各种因素。
如何实现这一基本任务 就是研究有机化学反应的详细历程。
一、动力学和机理
大多数化学家认为：
是需要10分钟时间与其他分子碰撞交换能 量最终生成产物），按秒计算需要600s。
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。

600 10 200 万年 365 24 60 60
13
目前直接用实验的方法研究过渡态是极为
的过程。
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。
（4）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，寿命长于典型的分子振动（10-13~10-14s）
（准确地说是和稳定性相关的权重平均）
☛ 一般地，不能看到单个的构象，如果希 望看到单个的构象，必须提高仪器的时间 分辨，或者降低分子运动的速度。
降低分子运动速度的方法：
☛ 减低低温——低温核磁、低温红外等是
目前研究分子结构的有力手段。将分子运
动速度降低到仪器的时间分辨极限以内。
例如，典代环己烷：
程成为可能，但是，目前来讲，绝大部分 的机理研究仍是借助于间接地方法。
研究时，首先对某一反应提出或设想合理
的机理，机理是否值得是深入考察和验证 是我们开始机理研究时的最重要一步。
例如：
研究氢氧根负离子对碘甲烷的取代反应。
CH3 I
+
OH
CH3 OH +
I
（1）仅从原子的组合考虑，设想反应物分子
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，
以便提出新的证据。有可能导致新的甚至
重大的发现。
研究反应机理的基本方法
（1）产物的研究，包括副产物的研究
（Products，Including By-produts）
对于某一反应提出的任何机理要能解释得
到的所有产物，包括副反应形成的产物在
力地预见能力。。
例如格式试剂与酮的反应： ☛ 格式试剂的反应最初被认为是格式试剂
对羰基（Carbonyl Group）的亲核进攻，
后来发现一些路易斯酸如氯化镁，甚至格
式试剂本身对反应本身有催化作用。
例如格式试剂与酮的反应： ☛ 另外，在反应过程中除了生成产物外， 常常还可以得到还原产物，比如得到片呐 醇（Pinacol）。 ☛ 金属镁的纯度对反应也有很大影响，微 量的过渡金属杂质的存在有利于片呐醇的 生成。
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。
（2）基元反应应该不是单分子反应就是双分 子反应（Elementary Step Must Be Either Unimolecular or Bimolecular）
反应动力学告诉我们两个以上的分子按一
☛ 分子的振动和碰撞的时间标度（Time
Scale）在10-12~10-14，这比标准光谱监测
要快得多。
例如： ☛ 核磁共振的时间分辨大约为10-3s。有机分子
通常具有一定的构象，这些构象之间会快速
地转换。环己烷椅式构象和船式构象。
☛ 在测定分子的结构时，由于构象之间的转换
非常快，我们所看的谱图是所以结构的平均
都分解为原子，再重新组合生成产物，显
然十分荒谬的。
（2）设想或提出按下面机理进行：
CH3 I + OH CH3 OH + I
这个机理看上去是合理，也是简单的。但
是对于反应的细节仍然充满许多含糊不清
之处。
比如会提出反应在什么时间、什么位置以
及为什么这样发生等问题。
更确切地说，要知道电离子在什么时候离开
☛ α-氢在室温的NMR为复杂的多冲锋，在
低温（-80℃）两种椅式构象清楚分离出 来。处于平伏键和直立键的H分别为宽的 单峰和多重峰。
☛ 可以说，迄今为止关于反应机理的绝大 部分知识都是由间接地证据推理而得到的。
☛ 化学家们的工作就是设计一些适当的实
验以求得最大可能的结论性证据，所以，
可以认为没有一个化学反应机理被绝对的
学问题的探讨已经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。
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
Ar Ar
Radical C O MgX Reaction
Ar C OMgX
C OMgX Ar Ar
H2 O T.M.
为什么研究反应机理： （1）在有机合成方面。反应机理的知识帮 助或指导我们选择反应条件以得到最高产 率或提高反应的选择性。
比如：
☛ 亲核反应在不同的溶剂中有很大的差别，
了解了反应机理中决定速率一步为负离子
中间体研究的重要方法：
①
分离（Separation）：反应一段时间后在
其未完全反应之前停止，将中间体分离出
来进行结构确定。例如Hofmann反应。
例如：
Hofmann降级反应，已经分离得到
RCONHBr中间体。将该中间体在相同条 件下得到相同的最终产物（必须做的）
R C O H 2N
BrO
R C O HN Br
证明过。
☛ 我们只能说那一个证据支持某个机理， 或者说它与某一机理相一致。 ☛ 当然，一个特殊的证据就可以有力地否
定某一给定的机理。即使对于一些“很好
建立”起来的机理也常常需要作重大的修
改或者仅仅因某一个新的证据就完全被推
倒。
☛ 一个好的反应机理必须能够解释该反应
的所有的已知事实，而且，还必须有强有
R OH N Br C O
R N C O H 2O
R N C O
R NH2 +
HCO3
②
中间体检测（Detection）
有些中间体不能分离，比如自由基、
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。
③
中间体捕获（Trapping）
反应中加入另一种试剂（捕获剂，
困难的。现在人们所了解的过渡态的信息 绝大部分是通过间接地实验手段推理出来 的：如研究反应的动力学和热力学；理论 计算化学计算等。
目前最先进的实验技术有可能直接观测
到这种飞速的技术，即飞秒级
（Femtosecond）的激光脉冲技术。
激光闪光光解的方法可以测量纳米数量
级的反应速率，目前可以测到皮米级