有机反应历程

反应历程
一种产物是由于苯基从α-碳上迁移到β-碳上而得到的
当反应物分子中的氢被重氢置换后，再发生取代或 消除等反应时，所表现出的H与D的反应速度不同的 现象叫做同位素效应。常以KH/KD之比来表示。同 位素效应有第一同位素效应和第二同位素效应两种。 所谓第二同位素效应是指尽管连接同位素的键不参 与反应，但却表现有同位素效应现象，
(A)
H
6. 过渡态理论
为什么烯烃和炔烃加卤化氢时遵循马氏规则？
由反应中间体正碳离子的稳定性所决定的。 以丙烯与HBr的加成为例：
b a
H3C C H CH2
a
+ CH3CHCH2H 2o C+ Stable
Cl-
CH3CHClCH3
Markovnikov addition product
+
H-Cl b
三种产物均含溴，但无ClCH2CH2Cl生成! Why？
对实验三的解释： 反应是分步进行的，首先生成环状溴正离子：
CH2=CH2
Br Br
CH2 Br
溴
CH2
Br -
Br CH2 CH2 Br
慢
快
离子
三种负离子的对环状溴正离子的竞争形成三种产物：
Br CH2
+
Br Cl OH -
BrCH 2CH2Br BrCH 2CH2Cl BrCH 2CH2OH
烯烃加溴历程
+


C=C
烯烃
+ Br

Br
慢
Biblioteka BaiduBr
C C
环状溴正离子
快
Br
-
Br
C C
Br
炔烃加溴历程：
Br
C2H5C CC 2H5
3-己炔 Br 2，乙酸 -Br ,80%
-
+
H5C2
C C
Br -
H5C2 Br
C=C
Br C2H5
C2H5
角张力更大，内能更高
反-3,4-二溴-3-己烯
下列实验可以用来说明：
无ClCH2CH2Cl !!
CH2
烯烃加卤素的立体化学：反式加成!


C=C
烯烃
+ Br

Br
慢
Br
C C
+
快
Br
-
Br
C C
Br
例：
+ Br 2
CCl 4 0。 C
Br H + Br H
H Br H Br
CH3 C C H
CH3 H
OH
KMnO4 OH- H2O
内消旋体
CH3 CH3
H H OH
烯烃与卤素的加成反应，是由亲电试剂首先进攻的分步 反应。
实验一：
CH2=CH2 + Br2 CH2=CH2 + Br2
CCl4 干燥 CCl4 微量水
x
CH2 Br
(Br2不裉色) CH2 (Br 裉色) 2 Br
说明该反应是离子型反应。微量水可促使环状溴正离子的形成。
实验二：
不同的取代乙烯与溴加成的相对反应速率：
O--H 18 CH3-C OC2H5
+
3
OH 18 CH3-C OC2H5
+ OH2
-H2O
4
-H +
5
O 18 CH3-C OC2H5
酯化反应特点：可逆反应。 提高产率的方法：增加反应物浓度，或除去生成的水。
苯乙胺与亚硝酸作用生成苯乙醇，用14C标记苯乙胺 (C※=14C)，分析产物物14C的分布
OH
(2S,3R)
OH
CH3 C C H
H CH3
KMnO4 OHH2O
CH3 H OH
H CH3 +
H CH3 OH
CH3 H
(2S,3S)
(2R,3R)
顺式加成的历程
50%
50% 外消旋体
4．同位素标记和同位素效应 利用同位素标记反应物(通常是部分标记)，反应后 测定产物同位素的分布，知道反应发生在什么部位。 用标记的水（H2O18）水解丁二酸甲酯，得到普通 的甲醇和含有O18的丁二酸，令人信服的证明水解 反应是通过酰氧键断裂进行的。
说明双键上电子云密度越大，反应速率越大。即该反
应是由亲电试剂首先进攻的加成反应----亲电加成!
实验三：
当体系中存在氯化钠时，则反应产物为混合物：
CH2=CH 2 + Br 2
H2O,NaCl
CH2-CH 2 + CH 2-CH 2 + CH 2-CH 2 Br Cl Br Br Br OH
(少量)
高级脂肪酸盐 —— 叫肥皂 碱性水解，动力学证明是SN2 反应历程 V = K [RCOOR/ ] [OH- ]
同位素示踪实验证明，不管是H+ 催化剂还是OH- 催化剂， 大多数羧酸酯水解是酰氧键断裂。 O18 CH3-C-O CH3 + H2O O 18 CH3-C-OH + CH3O H
7热力学控制及动力学控制
霍夫曼(Hofmann)酰胺降解反应
RCONH2+NaOX+2NaOH
例1：
RNH2+Na2CO3+NaX+H2O
有时用 NaOH，X2
伯胺 (减少一个碳)
例2——芳香族酰胺的降解
1.碱催化下溴化 2.碱作用下下脱去氢原子
O R C H N OH H R -H2O
-
OC Br-Br NH -BrR
①加热或光照下进行，一经开始便可自动进行； ②产物中有少量乙烷；
③少量氧的存在会推迟反应的进行。
甲烷氯化时往往生成少量乙烷，可作为自由基历 程的一个旁证。 CH3· +CH3·→CH3CH3
2. 中间产物的确定
一种是较活泼的中间产物，易分离得到和测定；另一 种是十分活泼的活性中间体，寿命短、浓度低，一般 不能在常温下分离或检验
SN2
构型转化
HO
C6H13 + NaBr CH3 。 C
H OH
H3 C
Br + OH H
H3 C H
例2：
H
SN2反应的特点： ① 一步完成，OH－与CH3Br都参与； ② C－O键的生成与C－Br键的断裂同时进行，有过渡态； ③ 有 Walden转化，手性分子发生SN2反应时，构型翻转。
-
C6H5
H C
¹ Ð Í ± £ ³ Ö â Ï Í û Ð ý Ì å
H OH + HO C
C 6H 5
H3C
H3C
CH3
¹ Ð Í × ª » ¯
b
OH-
SN2反应的立体化学： Walden转化是 SN2反应的重要标志。
例1： H13 C6 C
H 3C
34.6
H
H Br + NaOH 。
¡
á b¡¡¡
¡
H
SO3H
H SO3H H
b 萘磺酸位阻小
萘磺酸位阻大
6．动力学方法 双分子亲核取代反应(SN2)机理
¡ CH3Br
NaOH-H2O
CH3OH + Br- ¡¡¡
3
反应速率方程：v=k [CH Br][OH-]
单分子亲核取代反应(SN1)机理
¡ (CH3)3C-Br + OH反应速率方程：
H
键
C+ (I) 中心C上正电荷 分散程度大 比 C+ (I I)稳定
I) C+ (I 中心C上正电荷 分散程度小 不如 C+ (I)稳定
由于C(Ⅰ)较稳定，∴途径（Ⅰ）的活化能较低，途径（Ⅱ）
的活化能较高。
∴丙烯与溴化氢的加成产物以为主。
A 酯水解：碱水解（不可逆） 酸水解（与酯化为可逆平衡） 键的断裂发生在酰氧键还是烷氧键？
OH- +
H
H H
C


Br


HO


H C H
H


Br
H HO C H (C)
H
+ Br-
(A)
(B)
ý ¶ ¹ É Ì ¬
单分子亲核取代反应(SN1)机理
反应机理：
第一步，C－Br键解离：
CH3 慢 CH3 CH3
CH3
C
CH3
Br
CH3
C
CH3
Br
CH3
C + + BrCH3
(A)
(B)
酯化反应
羧酸与醇在酸的催化作用下失去一分子水而生 成酯的反应称为酯化反应。
（常用的催化剂有盐酸 、硫酸、苯磺酸等）
CH3COOH + C2H5OH
H+
CH3COOC2H5 + H2O
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℃）
酯化反应机理
O R C OH R O C O H
？
酰氧键
烷氧键
O CH3C18OH + C5H11OH
O CH3C OC5H11
大多数酯化反应发生酰氧键断裂
酯化反应机理：
O CH3-C-OH + H +
+
1
OH CH3-C-OH
+
OH 18 CH3-C-OH + H OC2H5
2
OH 18 + CH3-C OC2H5 OH H
SN1反应的立体化学
OH－从两个方 向靠近中心 碳原子的机 率相同
b H3C C+ CH3 OH
-
CH3 a
a b
H3C H3C C H3C
OH
HO
CH3 C CH3 CH3
如果一个手性分子进行SN1时，其产物为外消旋体：
C 6H 5 H C Br H
ý Â -Br
-
C6H5 C+ CH3 a
OH ì ¿
O R C OR'
CH3COOC5H11 +
18
O R C O R'
O OHCH3C18OH+ O CH3C18OC5H11O+ C5H11OH
大多数2o和 1o醇的羧酸酯的水解发生酰氧键断裂；
3o醇的羧酸酯的酸水解发生烷氧键断裂。
酯水解是可逆过程，但在OH- 条件下水解生成盐，平衡 破坏，水解可进行到底。 O NaOH / R-C-OR + H2O O R-C-ONa + R/OH （皂化反应）
5. 反应的热力学
SO3H » ½ Ï ¸ º £ ¬ ¶ ¯ Á ¦ Ñ §» î Æ Ã ) ( Î
¡¡¡ á 160 C ¨H 2SO4, 160 C ¡ H2O, 180 C
¨H 2SO4, 80 C ¡ H2O, 180 C
¡
¡
¡ SO3H ( b Î » Õ ¿ ¼ ä Õ Ï ­ °Ð ¡ £ ¬ È Á ¦ § Ñ Î È ¶ ¨)
某一反应物A在一定条件下可能转变成两种产物B和C B
A
速度常数 kB<kC (形成C快于B)
平衡常数 KB>KC (B比C更稳定)
种物质作捕获剂。当它与不稳定中间体作用后再分离出预测化
合物来证明。
I
NaNH2
NH3
NH2
O
捕获剂
O
苯炔历程，或消除-加成反应
3．立体化学方法
疑问1：在饱和碳原子上的亲核取代反应中，旋光性 化合物有时在反应中发生了构型的转化，有时却发生 了外消旋化 ？ 疑问2：环己浠与溴的加成反应生成反-1，2二溴 环己浣，如果溴分子从双键的一边接近碳原子， 同时生成两个碳溴键，应该得到顺-1，2-二溴环 已烷 ，为什么得到反式产物呢？
(CH3)3C-OH + Br- ¡¡¡
v=k[(CH3)3Br]
这说明决速步骤与 OH－ 无关，而仅与RX的浓度及 C－X的强度有关。因此，该反应是分步进行的 。
6. 过渡态理论 SN2能量曲线：
(B)
Ü Á Ä ¿
能量：A>B
E (A) H (C)
´ Ó · ¦ ½ ø ³ Ì
放热反应
sp 2
研究反应历程的一般方法
1．产物的鉴别 研究所有产物的结构和性质是研究反应历程的起 点，可对反应历程的推测提供某些线索和旁证 例如，1-溴-2，2-二甲基丙烷在乙醇溶液中与乙醇钠 起反应，产物为1-乙氧基-2，2-二甲基 丙烷
SN2反应
50%水的乙醇起反应
碳正离子进行的重排反应
以甲烷氯代反应为例： 实验事实
CH2=CHBr 0.04 CH2=CH 2 1.0 CH2=CHCH 3 2.03 CH2=C(CH 3)2 5.53 CH3CH=C(CH 3)2 10.4
双键上电子云密度减小， 亲电加成 反应速率减小 -Br是吸电子基!
烷基取代增多，双键上电子云密度增大， 亲电加成 反应速率增大 CH3-是给电子基!
2o C+
1o C+
+ CH3CHCH2 1o C+ Unstable
H
Cl-
CH3CH2CH2Cl Anti-Mar's Rule
C的中心碳原子为sp2杂化，平面构型，有一个垂 直于σ平面的p轨道是空的：
空 p轨 道 空 p轨 道 空 p轨 道
+ C
H3C H3C
+ C
CH3CH2 H H
+ C
O C N
H Br
OH-H2O
N-溴代酰胺
O R C N Br O -BrR N C
R
O
H2O
N C OH
RHN
OH
C
OH
3.烷基迁移
异氰酸酯
RNH2 + CO2
可直接分离和测定两个中间产物—N-溴代酰胺和 异氰酸酯
O O + 2NH3 O CH2 CH2
O C NH2 Br2 COONH4 NaOH H2NCH2CH2COO-
Hofmann重排降解中，反应后手性中心构型保持：
C6H5 C6H5 O NaOBr H3C C C H3C C NH2 NH2 H H
C6H5 O H3C C C N Br H C6H5 H3C C N C O H C6H5 H3C C NH2 H
中间体的捕获
如果推测到一个反应可能存在某一种中间体时，可加入另一
过渡态I
(C)
活性中间体
第二步,生成C－O键：
CH3 CH3 CH3
CH3
C + + OHCH3
快
CH3
C
CH3 (D)
OH
CH3
C
CH3 (E)
OH
(C)
活性中间体
过渡态 I I
SN1反应的能量变化过程：
Ü Á Ä ¿
(B) (D) (C) E1 E2
E1>E2， 决速步骤 是第一步
(E)
´ Ó · ¦ ½ ø ³ Ì