第三章 有机化学反应机理的研究

研究和确定一个新的有机反应历程的步骤：
(1)提出一个与已有的实验结果及理论相符合的可能的
反应历程； (2)通过实验来验证所提出的历程。
(3) 如果新的实验结果与提出的历程相符合，即可对
最初提出的历程加以肯定。如果新的实验结果与假设
的历程不相符合，则需重新提出历程。如果部分符合，
则需要重新提出的历程进行修正。
以单分子或双分子反应进行。
反应机理是由反应物转变为产物的途径，若为基 元反应，则为一步反应得到产物；若不为基元反应， 则可以分解为多步基元反应过程。反应机理就是将反 应的各步基元反应都详细地表达出来，特别是对中间 体杂化状态、能量变化的描述。
所谓机理,就是反应物通过化学反应变成产物所经历的全 过程，实质上，就是分子中所有原子作为时间函数的正确位置, 就是分子结构随时间变化的描述. 但这是一种理想状态, 目前无 法实现.目前还没有什么办法来直接观察分子间起反应的实际过 程．因为有机化学中所研究的分子的线性大小约为10－8cm ,分 子间起反应实际所需时间约为10－12到10－14sec.，因此，目前还 没有什么办法来直接观察分子间起反应的实际过程． 因此关于有机反应机理的了解都是由间接的证明推理而来 的. 一个正确的机理必须与所有与此反应有关的已知事实相符 合. 研究有机反应机理的方法可分为动力学方法和非动力学方 法．
CH3 + Cl2 hv CH2Cl + HCl
CH3 + Cl2
AlCl3 Cl
CH3 +
CH3 + HCl Cl
上述两反应的产物不同, 因此可以推断其机理不同.
2. 中间产物的测定
反应机理本来就是要说明反应物经过什么途径变成产物, 如果能测定出中间体当然对机理的说明很有帮助.
a) 分离出中间体
C N
OH H3C CH CN + CN
这个反应可描述为：
通过反半缩醛的形成，再紧接着氰醇加成的反应。
试写出下列反应的机理：
OH H2C CH CH C N
OH
O N C CH2CH2C H
机理：
O OH H2C CH CH C N
OH
H2C CH CH
C N
H2C
H CH C
O
CN
O N C CH2CH2C H N C CH2 CH CH OH
一 动力学要求（反应的现实性）
-----研究反应快慢的问题 1、碰撞理论
反应分子必须碰撞，而且必须是有效碰撞才能反应，分子必 须获得一定的能量变成活化分子后才能反应，这个能量的最低 限度叫活化能。 速度常数
k Ae

Ea RT
活化能
指前因子 活化能越高，k越小，反应越慢。
2、过渡态理论
化学反应不只经过分子间的简单碰撞就能完成，
反应为邻基参与历程
d) 猜测中间体的验证
如果猜测的中间体能用其他方法得到, 则用这中间体化 合物在相同的反应条件下应得到同样的产物. 如果没有得到 同样的产物, 则所猜测的中间体是不正确的. 但得到同样产物 并不意味着反应机理就确信无疑, 因为可能会是一种巧合. 例如, 中间体会不会是
Br
In/H2O PhCHO
CH3
CH3 H
+
C2H5 BF4CH3
σ-络合物
黄色，熔点-15℃
CH3 C2H5 + HBF4 CH3
CH3
b) 捕获中间体 所猜测的中间体如能用某种试剂捕获, 对证明机理也起到作 用了.1975年有人用2,2,6,6-四甲基氢化吡啶锂使氯苯变为苯炔, 用2,5-二甲基呋喃将形成的苯炔捕获, 证明了苯炔的形成.
判断合理机理的基本原则
1 提出的反应机理应明确解释所有已知的实验事实，同时 应尽可能简单。（任何化合物的每一步反应都是在该反应条 件下的通用反应） 2 基元反应（没有中间体，只有过渡态）应是单分子或双 分子的，通常不必考虑涉及三分子的其他反应。 3 机理中的每一步在能量上是允许的，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变化 时，应能对新反应的速度和产物变化作出正确的预测。
• 假设一个反应先达到一个过渡态，然后从过渡 态以极快的速度变成产物
C A+B T. S. K≠ = [T. S.] [A][B] Δ G≠ = - RTlnK≠ κ KT 速度= [ T. S.] h [ T. S. ] = K≠ [A][B] K ≠ = e-Δ G ≠ 速度= κ KT e-Δ G≠ h
第 3章
有机化学反应机理的研究
• 研究反应机理的目的:
是认识在反应过程中，发生反应体系中 的原子或原子团在结合位置、次序和结合 方式上所发生的变化，以及这种改变的方 式和过程。
• 反应进行的途径主要由分子本身的反应性
能和进攻试剂的性能以及反应条件等内外 因素决定。
化学反应包括由反应物向产物的转化，反应主要
H2O
N C CH2 CH CH O
为什么烷氧基负离子和氰根负离子可以从半缩醛负 离子中离去？
一般来说，亲核试剂与离去基团没有连在同一碳原子上， 只有当好的离去基团才能反应，如下列分子内的亲核取代：
O Br O + KBr
当离去基团与亲核试剂连在同一碳原子上，随着离去基团的离去 ，产生了一个新的π键，这类反应比外来的亲核试剂的取代要容 易得多。
In
PhCH HO
3
可以制备这个化合物, 再在水中与PhCHO反应来验验. 加拿大 的华人化学家陈德恒教授的研究小组后来用NMR和制备等方 法证明中间体是一价铟化合物
In
3. 催化剂
催化剂能加速或阻止一个反应的进行, 可暗示其反应机理. 例如 能被过氧化物加速的应为自由基机理, 被酸催化就可能是正离 子中间体, 被碱催化则可能有负离子中间体.
CH3 Cl H3C
LiTMP +
O H3C CH3
THF,
O
c) 中间体的检出 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. 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.
OH H3C CH
CN ( OH )
OC2H5
O H3C CH OC2H5 + HCN
2）这个负离子可以消去一个烷氧负离子得到一个醛：
O H3C CH OC2H5 O H3C CH + C2H5O
3）氰根对醛亲核加成；酸碱反应。
O H3C CH + H CN CN
O H3C CH CN
O H3C CH
反应坐标 势 能
A......B ....C
A+B C
A B+C
反应坐标
过渡态 [R H X]
能量
E活化
反应物 RH + X
中间体 R ＋ HX ΔH' 产物 RX + X . 反应进程
烷烃卤代反应进程的能量变化
过渡态：能量曲线上能量极大值，只能根据反应物和产 物的结构来进行推测。
中间体：能量曲线上能量极小值，是一个的质点，可以 通过现代物理仪器观察到的光电信号来推测它的结构。
HNO3 + 2H2SO4
2HNO3
NO2+ + H3O+ + 2HSO4
NO2+ + NO3 + H2O
NO2
HNO3 H2SO 4
+ H2O
1HNMR
证明下述反应为邻基参与，存在苯桥正离子。
HOAc
+
CH2CH2OTs
H2C
CH2
CH2CH2OAC
苯桥正离子中间体
动态1HNMR（化学家Olah)
A+B 反应物
△G
D 产物
△G
a
单步反应
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
b
双步 反 应
在双步反应的图b中
• 反应物和产物之间包括具有一定寿命的中间体I， 因此,它包含有两个过渡态，而且第一个过渡态 的ΔG1≠比第二个过渡态的ΔG2≠高,这意味着第 一步反应应该是速率控制步骤。 • 过渡态与中间体的区别。中间体位于两个过渡 态之间的能量最低点，故有一定的存活期，实 际的寿命依赖于凹陷的深度。下凹浅暗示下一 步的活化能低，生存期短，下凹深中间体的生 存期越长；而过渡态只有一个转瞬即逝的生存 期，并代表反应途径中的能量极大值。
提出反应机理的实例
OH H3C CH OC2H5 + HCN NaOH OH H3C CH CN + C2H5OH
放弃不合理机理：
OH H3C CH OC2H5 OH H3C CH CN + C2H5O
CN
因为：C2H5O-不是一个好的离去基团
提出一个合理的反应机理：
不要一开始就想到反应产物。反而应该注重起始原料， 选择在该反应条件下最可能进行的反应。 1）起始物是一个醇，通常在碱作用下能部分转化成其负离子：
O R C Nu O R C + Nu
( Nu 为几乎所有的负离子，R，H 除外)
反应机理类型
• 离子型反应, 自由基反应, 周环反应 • 取代反应(亲电,亲核,自由基), 消除反应, 加成反应 (亲电,亲核,自由基), 重排反应(缺电子体系,富电子 体系,自由基). • 一个有机化学反应可能有几种机理类型共存.
4.同位素标记
同位素标记常能提供非常有用的线索, 利用同位素标记可以发 现许多通常条件下很难观察到的现象.例如在下列反应中,
RCOO + BrCN
250-300° C
RCN + CO2
产物中的CN是否来自BrCN? 可以用同位素标记来解决这个问 题. 例如可以用Br14CN, 也可以用R14COO-和BrCN反应, 在后一 种情况下, 标记原子14C是在R14CN中而不是在CO2中, 同时, 如 果R为光学活性的基团时, 在反应后构型保持; 并且在反应混合 物中离析出酰基异腈酸酯RCON=C=O, 因此提出如下机理:
/RT
A+B
C
/RT
[A][B] = k r [A][B]
• 在一步反应的图中能量最高点是活化络 合物(图a.)，在它的左边，所有络合物都 被认为同反应物处于平衡中；而在它右 边，所有络合物则被认为是同产物处于 平衡中。
G
G
过渡态
Δ G1≠ C 中间体
Δ G2≠
Δ G 1≠ A+B 反应物 C 产物
5. 立体化学证据 是常用的考验和判别反应机理的方法.
OH
CH3 C C H
CH3 C C H
CH3 H
H CH3
KMnO4 OH-
H OH
OH
CH3 CH3
H2O H
(2S,3R)
内消旋体
OH H CH3 OH CH3 H
KMnO4 OHH2O
CH3 H OH
基元反应为吸热反应,TS与 产物的结构和能量相近。
基元反应为放热反应，TS与 反应物的结构和能量相近。
任何一个化学反应都要经过一个过渡态才能完成。
A + BC
A
........
B
...........
C
=
AB + C
过渡态的特点: （1）能量高。 （2）极不稳定，不能分离得到。 （3）旧键未完全断开，新键未完全形成。
反应势能图
反应势能曲线：图中表示势能高低的曲线。
势 能
A......B ....C
反应坐标：由反应物到生成物所经过的能 量要求最低的途径。 过渡态：在反应物互相接近的反应进程中， 与势能最高点相对应的结构称为过渡态。
A+B C
A B+C
活化能：由反应物转变为过渡态所需要的 能量。
中间体：两个过渡态之间的产物称为中间 体。（中间体能分离得到。过渡态不可分 离得到。） Hammond假设：过渡态总是与能量相近 的分子的结构相近似。
而且要经过一个高能量的过渡态(即活化络合物，是一 种高度不稳定而且具有一定几何形状和电荷分布的活 化物)，过渡态与反应物能量之差叫活化自由能ΔGө。 过渡态(TS)的结构与能量相近的反应物或产物(或中间 体)相似，我们无法分离和观察到TS的存在。 过渡态(TS)是一种假想状态，不具有客观性，处于能 量曲线图的峰顶。 中间体(I)是具有客观性，可分离或检测其存在，处于 能量曲线图的峰谷。
二 确定有机反应机理的方法
• • • • • • • 1 产物鉴定 2 中间体确定(分离,捕获,合成) 3 催化作用 4 同位素标记 5 立体化学 6 化学动力学 7 同位素效应
1. 产物鉴定 机理本身就是为说明产物是如何从起始物变来的, 所以一 个机理提出后, 必须要能说明得到的全部产物以及它们之间 的相互比例, 包括付产物. 例如
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.
RC O NH 2
O
NaO Br
RC O NHBr H2O
RC O NBr
O
-Br
R C N
R-N=C =O
RNHC OH
-C O2
RNH2
CH3 + C2H5F CH3 CH3 BF3 -80℃