反應(yīng)機理研究3

反應(yīng)機理研究3第1頁/共50頁內(nèi)容提要第一部分測定有機反應(yīng)機理的方法§2-5測定有機反應(yīng)機理的方法一、反應(yīng)機理的提出二、研究有機反應(yīng)機理的方法第2頁/共50頁§2-4測定有機反應(yīng)機理的方法一、反應(yīng)機理的提出1.反應(yīng)機理的提出

Lapworth；1903年對丙酮與氫氰酸的加成反應(yīng)和1904年對丙酮溴化反應(yīng)的研究。第二章有機反應(yīng)機理的研究

第三部分測定有機反應(yīng)機理的方法第3頁/共50頁2.對反應(yīng)機理合理性的判斷

(1)提出的機理應(yīng)明確解釋所有已知的實驗事實，同時又盡可能簡單，易于重復(fù)和證明。(2)基元反應(yīng)應(yīng)是單分子或雙分子的，通常情況不必考慮涉及三個以上分子的其它反應(yīng)。(3)機理中每一反應(yīng)步驟在能量上是允許的，化學(xué)上則是合理的。(4)機理應(yīng)有一定的預(yù)見性，當(dāng)反應(yīng)條件或反應(yīng)物結(jié)構(gòu)改變時，應(yīng)能對新反應(yīng)的速度和產(chǎn)物變化作出正確的預(yù)測。通過實驗加以考察，若不能確證也應(yīng)證明其不正確性。第4頁/共50頁3.研究反應(yīng)機理的基本步驟

(1)提出一個與已有實驗事實及理論事實相符的假設(shè)。(2)設(shè)計并進行實驗以檢驗所提出的機理假設(shè)。(3)根據(jù)實驗結(jié)果對假設(shè)進行修正或推斷。4.實例

順丁烯二酸與稀鹽酸共熱的異構(gòu)化機理研究，有以下幾種可能的解釋：解釋之一反應(yīng)是經(jīng)光和熱引發(fā)的重排解釋之二

親核加成－消除第5頁/共50頁解釋之三親電加成－消除第6頁/共50頁順丁烯二酸HCl氯代丁二酸－HCl反丁烯二酸解釋之四解釋之五第7頁/共50頁解釋之六第8頁/共50頁解釋之七用α,β-不飽和羧酸親電加成機理和構(gòu)象效應(yīng)分析該解釋的合理性第9頁/共50頁穩(wěn)定構(gòu)象消除后得順式產(chǎn)物消除后得反式產(chǎn)物ⅢⅡⅠ穩(wěn)定性：Ⅲ

Ⅱ第10頁/共50頁二、研究有機反應(yīng)機理的方法1.產(chǎn)物和副產(chǎn)物的鑒定

研究反應(yīng)機理首先要從反應(yīng)物和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)開始，對一個反應(yīng)所提出的機理應(yīng)能解釋所有的產(chǎn)物和副產(chǎn)物及其之間的比例。例1對產(chǎn)物和副產(chǎn)物結(jié)構(gòu)鑒定，提出以下機理：2第11頁/共50頁溶劑第12頁/共50頁例2反應(yīng)產(chǎn)物混合物用MS分析，有明顯的碎片峰（107和109）可以區(qū)別：m/z=109m/z=107由此推出環(huán)氧化合物酸催化和堿催化開環(huán)反應(yīng)機理。第13頁/共50頁

2.中間體產(chǎn)物的確認(1)中間體產(chǎn)物的確認方法中間體的分離

證明中間體最有力的證據(jù)是將其分離出來并加以鑒定，也可用其他方法來制備所猜測的某個中間體，再讓其在同樣條件下反應(yīng)，判斷能否以不低于原反應(yīng)的速率得到同樣的產(chǎn)物。例1

苯環(huán)親電取代反應(yīng)中間體的獲得5第14頁/共50頁例2

酰胺的Hofmann重排中間體的檢測中間體的捕獲

3-2第15頁/共50頁(2)中間體的確認與反應(yīng)機理例

SN2反應(yīng)SN2反應(yīng)中形成的五配位碳歷來被認為是過渡態(tài)形式。但最近有研究報告指出，五配位的碳也有可能以較穩(wěn)定的中間體形式出現(xiàn)。第16頁/共50頁

＋＋第17頁/共50頁

3.催化作用根據(jù)催化劑的性質(zhì)及其在反應(yīng)中的作用可以獲得有關(guān)反應(yīng)的信息。

4.同位素標(biāo)記同位素標(biāo)記分子技術(shù)和跟蹤同位素標(biāo)記原子在原料、中間體及產(chǎn)物中的位置，在追蹤反應(yīng)物中的價鍵斷裂和新鍵的原子來源中是十分有力的工具，能得到其它方法難以得到的機理信息。應(yīng)用同位素標(biāo)記方法需有固定位置的標(biāo)記化合物合成和化學(xué)反應(yīng)后測量標(biāo)記原子位置的技術(shù)，D，14C，15N和18O等是最常用的同位素。第18頁/共50頁例1酯的BAc2水解反應(yīng)機理酰氧斷裂(Ac)證據(jù)1證據(jù)2第19頁/共50頁過渡態(tài)--酰氧鍵斷裂的途徑之一第20頁/共50頁活性中間體（四面體構(gòu)型）酰氧鍵斷裂的途徑之二第21頁/共50頁羰基氧原子用18O標(biāo)記的羧酸酯在普通水中部分水解，然后測定未水解酯中18O的含量，結(jié)果有所降低，即存在不含18O的酯。如果反應(yīng)按途徑1進行，沒有活性中間體質(zhì)子交換的過程，就不會發(fā)生18O的交換。所以，酯的堿性水解反應(yīng)機理為雙分子酰氧斷裂(BAc2)。證據(jù)第22頁/共50頁水解水解質(zhì)子交換活性中間體的穩(wěn)定性↑→回收的酯中18O的含量↓第23頁/共50頁例2烯丙基芳基醚的Claisen重排

200℃第24頁/共50頁Claisen重排反應(yīng)機理酮式與烯醇式重排第25頁/共50頁反應(yīng)物的合成第26頁/共50頁例3苯環(huán)親核取代反應(yīng)機理：

Roberts,1953年消去－加成反應(yīng)機理可說明以上實驗事實產(chǎn)率相同第27頁/共50頁第28頁/共50頁例4碳烯結(jié)構(gòu)狀態(tài)的判斷第29頁/共50頁

5.立體化學(xué)

例1酯的AAl1水解反應(yīng)機理旋光化合物()第30頁/共50頁同位素標(biāo)記例2氧化叔胺的Cope消除反應(yīng)第31頁/共50頁立體化學(xué)12(1R,2S)-1-苯基-2-二甲氨基丁烷-N-氧化物96%0.1%第32頁/共50頁(1S,2S)-1-苯基-2-二甲氨基丁烷-N-氧化物90%2%第33頁/共50頁反應(yīng)機理

E2順式消除反應(yīng)時形成一個平面五元環(huán)過渡態(tài)，離去基團與-H必須在同側(cè)，且為重疊式。第34頁/共50頁例3鹵代烷的E2消除反應(yīng)第35頁/共50頁第36頁/共50頁

6.動力學(xué)方法動力學(xué)研究各種反應(yīng)因素如濃度、壓力、溫度、重力、磁場、催化劑等對反應(yīng)速率的影響，是研究有機反應(yīng)機理這重要的方法之一。

(1)反應(yīng)速率方程的確定

例1動力學(xué)方法測定結(jié)構(gòu)表明，聯(lián)苯胺在某條件下的重排反應(yīng)對[H+]是二級的，所以任何認為定速步驟中未涉及兩個H＋參與的機理肯定是不正確的。(2)反應(yīng)速率與反應(yīng)機理

(3)反應(yīng)速率與空間效應(yīng)、構(gòu)象效應(yīng)第37頁/共50頁二苯肼聯(lián)苯胺重排第38頁/共50頁聯(lián)苯胺例2

對位取代的苯甲酸甲酯堿性水解速率測定結(jié)果表明，不同取代基的速率次序為：NO2CNCHOBrHCH3OCH3NH2由此反映出有四面體碳負離子中間體存在。第39頁/共50頁

動力學(xué)方程并未指明過渡態(tài)中原子的排列方式，也不能提供其結(jié)構(gòu)方面的任何信息，因此不能證明一個機理，僅起到排除一些不可能機理的作用。

(4)動力學(xué)同位素效應(yīng)①定義同位素效應(yīng)是闡明反應(yīng)機理的動力學(xué)方法之一，當(dāng)反應(yīng)底物中的一個原子被它的同位素取代后，對其化學(xué)反應(yīng)性沒有影響，但會引起反應(yīng)速率的改變，這些變化通稱為同位素效應(yīng)。最常用的是用氘來代替氕，用kH/kD表示。第40頁/共50頁②原理

H和D二者雖然具有相同的電子組態(tài)，有相同的化學(xué)性質(zhì)，但因中子數(shù)不同而有不同的質(zhì)量，因而C－H和C－D鍵基態(tài)振動能有差別；發(fā)生同樣反應(yīng)時，D的反應(yīng)速率相對較慢，所以可以用kH/kD反映二者的差異。諧振子運動方程式μ↑→鍵的基態(tài)振動能（零點能）↓→鍵離解所需能量↑→E活↑→反應(yīng)速率↓例如：基態(tài)振動能(kJ/mol)C－H17.4C－D12.5第41頁/共50頁第42頁/共50頁③類型kH/kD一般在1~7之間，通常認為對稱過渡態(tài)的kH/kD＝7。若鍵的斷裂程度超過一半或小于一半時，其比值就會降低。同位素效應(yīng)分一級同位素效應(yīng)和二級同位素效應(yīng)。一級同位素效應(yīng)指在決速步驟中C－H或C－D鍵發(fā)生斷裂的反應(yīng)中所觀察到的動力學(xué)同位素效應(yīng)，其kH/kD值通常為2或更高。如果決速步驟中未發(fā)生C－H或C－D鍵的斷裂，其反應(yīng)速率基本不會改變，即kH/kD＝1。因此一級動力學(xué)同位素效應(yīng)能為反應(yīng)機理提供以下兩方面信息：5第43頁/共50頁

kH/kD≥2是C－H或C－D鍵在過渡態(tài)中正在斷裂的證據(jù)之一；kH/kD大小定性地指出過渡態(tài)結(jié)構(gòu)相對于反應(yīng)物和產(chǎn)物的位置。kH/kD＝7：過渡態(tài)中H或D與原來成鍵原子之間、與新成鍵的原子之間都有相當(dāng)強的成鍵作用。

kH/kD＜7，：C－H或C－D鍵在過渡態(tài)中斷裂的較為徹底過渡態(tài)結(jié)構(gòu)接近產(chǎn)物；或斷裂程度較小過渡態(tài)結(jié)構(gòu)接近反應(yīng)物。第44頁/共50頁例1：3°RX和1°RX消除反應(yīng)3°RX：kH/kD≈1.1決速步驟未涉及β-C－H或C－D鍵的斷裂E1機理1°RX：kH/kD≈7決速步驟涉及β-C－H或C－D鍵的斷裂E2機理，且為對稱過渡態(tài)。二級同位素效應(yīng)在反應(yīng)中與同位素直接相連的鍵不發(fā)生變化，而是分子中其它化學(xué)鍵變化所觀察到的效應(yīng)，其值通常在kH/kD=0.7-1.5范圍內(nèi)。第45頁/共50頁kH/kD＝1.34溶劑同位素效應(yīng)H2O換成D2O，反應(yīng)速率也會改變。溶劑解反應(yīng)物分子的H與溶劑分子D2O之間發(fā)生H與D的快速交換，成為標(biāo)記分子溶劑分子與溶質(zhì)分子相互作用的變化，使過渡態(tài)能量改變例2：第46頁/共50頁例1酮