有機反應(yīng)機理的研究方法

關(guān)于有機反應(yīng)機理的研究方法1第1頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三2從反應(yīng)物到產(chǎn)物所經(jīng)歷的全部具體過程稱為反應(yīng)歷程或反應(yīng)機理。在有機化學(xué)發(fā)展初期，人們很少注意反應(yīng)的機理更重視結(jié)果。發(fā)現(xiàn):酸堿均加速;V∝丙酮與溴無關(guān)到了20世紀(jì)30年代以后，隨著價鍵理論的建立與發(fā)展，人們越來越迫切地希望了解反應(yīng)到底是怎樣進(jìn)行的，這成為反應(yīng)機理研究的原動力，反應(yīng)機理的研究工作得到大力開展。第一節(jié)概述1903年Lapworth發(fā)現(xiàn):堿加速酸減速第二年提出了對反應(yīng)的一些看法和假設(shè)，開創(chuàng)了反應(yīng)機理的研究工作。第2頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三3研究反應(yīng)機理一般采用以下幾個基本步驟：①提出一個與已有實驗事實及理論知識相符的假設(shè)；②設(shè)計并進(jìn)行能夠檢驗所提出的假設(shè)的實驗；③根據(jù)實驗結(jié)果對原假設(shè)進(jìn)行修正或推斷。上述步驟常要重復(fù)多次，要全面而客觀地收集并解釋所有與反應(yīng)有關(guān)的事實結(jié)果，尤其要注意那些與假設(shè)機理不符的實驗事實，很有可能就在其中隱藏著正確的反應(yīng)機理線索提示我們?nèi)ヌ剿?。還要注意的是對同一實驗事實的解釋可能有多種選擇，與實驗事實相符的反應(yīng)機理也可能不只一種，為此要仔細(xì)反復(fù)推敲、去偽存真，以得到合理的令人信服的反應(yīng)機理。機理研究的實際意義:真正控制反應(yīng);

設(shè)計新化合物的合成方法和合成路線。第3頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三4一個有機反應(yīng)機理的得來并不是一件容易的事。分子的振動或碰撞引起的一次變化(即反應(yīng))往往在極短的時間內(nèi)（10－12～10－14s）完成。用一種方法通過一個實驗通常很難得到滿意的反應(yīng)機理，往往要使用多種實驗技術(shù)、采用多種方法、從不同的角度進(jìn)行全面的研究才能得到。概括起來，用于有機反應(yīng)機理研究的方法主要有產(chǎn)物研究、中間體研究、同位素標(biāo)記研究、立體化學(xué)研究、反應(yīng)條件研究和動力學(xué)研究等。第4頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三5第二節(jié)產(chǎn)物研究產(chǎn)物研究是反應(yīng)機理研究的第一步。確定結(jié)構(gòu)、對比結(jié)構(gòu)、判斷變化。同一種（類）反應(yīng)物得到不同產(chǎn)物，機理不同第5頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三6產(chǎn)物研究也應(yīng)包括副產(chǎn)物的研究，一個不能說明所有產(chǎn)物的機理肯定是不正確的。除了正常的加成產(chǎn)物以外，還有重排產(chǎn)物，說明不是一步完成的反應(yīng)同一類反應(yīng)物得到同一類產(chǎn)物，機理可能相同。不能說明乙烷生成的機理肯定不正確。第6頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三7產(chǎn)物研究還應(yīng)包括反應(yīng)物、產(chǎn)物間的數(shù)量關(guān)系產(chǎn)物研究的具體過程一般是分離提純、理化常數(shù)測定、結(jié)構(gòu)表征。分離提純過慮分液萃取洗滌蒸餾重結(jié)晶層析理化常數(shù)測定熔點沸點分子量折射率旋光度密度結(jié)構(gòu)表征元素分析紅外光譜核磁共振譜紫外光譜質(zhì)譜專一反應(yīng);競爭反應(yīng);平行反應(yīng)。反應(yīng)物或中間體的對稱結(jié)構(gòu)。第7頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三8第三節(jié)中間體研究一個反應(yīng)機理是否正確，中間體是最有力的證據(jù)；對一個未知反應(yīng)，中間體的存在及其結(jié)構(gòu)則可為機理的擬定提供有用的信息。根據(jù)中間體穩(wěn)定性的不同主要有離析、檢測和捕獲等幾種具體研究方法。一、中間體的離析若中間體比較穩(wěn)定或在一定條件下是穩(wěn)定的，可以創(chuàng)造條件使反應(yīng)突然終止，分離出中間體并測定其結(jié)構(gòu)。所得中間體及其結(jié)構(gòu)與假設(shè)的機理相符，原機理是否正確？存在A直接生成C和經(jīng)歷B生成C二個反應(yīng)B未必一定是中間體將中間體恢復(fù)原環(huán)境，觀察是否以相同速度生成相同產(chǎn)物。不一定，可能是在改變條件的情況下產(chǎn)生的。若以相同速度生成相同產(chǎn)物原機理一定正確嗎？第8頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三9Claisen酯縮合反應(yīng)機理研究過程中就出現(xiàn)過這種情況。存在與主反應(yīng)無關(guān)的可逆平衡反應(yīng)B未必一定是中間體第9頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三10通過中間體離析研究得到反應(yīng)機理的實例很多。第10頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三11二、中間體的檢測對于不太穩(wěn)定的中間體甚至是活性中間體，可以采用現(xiàn)代物理方法檢測其存在。用Raman光譜檢測到NO2+IR在238.5～241.5出現(xiàn)吸收帶反應(yīng)體系多為復(fù)雜的混合物，因此能夠給出特征信號的中間體才能被檢測到，而且要有一定的濃度。最常用的是IR和ESR，前者檢測具有特征吸收的基團(tuán)，后者檢測自由基。第11頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三12三、中間體的捕獲對一些太活潑或濃度太低既不能離析又難以檢測的中間體，可以向反應(yīng)體系中加入能與中間體反應(yīng)的捕獲劑，通過考察是否生成反映中間體特性的新產(chǎn)物以證明中間體的存在。比如用自由基捕獲劑捕獲烴基自由基、烯烴捕獲卡賓、用共軛二烯烴捕獲苯炔等。第12頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三13第四節(jié)同位素標(biāo)記研究以同位素標(biāo)記化合物為原料或試劑，反應(yīng)結(jié)束后測定同位素的分布，可以確定反應(yīng)時化學(xué)鍵斷裂的位置以及標(biāo)記原子或基團(tuán)的遷移途徑，為機理研究提供有用的其它方法難以得到的信息。最常用的標(biāo)記原子有D、C14、O18等。常用的檢測方法有質(zhì)譜和放射性探測儀（O18無放射性）。利用O18標(biāo)記的最典型例子是羧酸酯的水解機理研究。第13頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三14羧酸酯的堿性水解是不是SN2機理？回收酯含O18回收酯O18減少同位素標(biāo)記研究表明，并非簡單的SN2機理,而是經(jīng)歷四面體中間體的加成消除機理。第14頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三15利用D標(biāo)記的最典型例子是苯甲醛的Cannizzaro反應(yīng)機理研究。第15頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三16利用氚（T）標(biāo)記的典型離子是苯丙氨酸氫移位反應(yīng)機理研究。1-溴-2,2-二苯乙烯在堿的作用下生成二苯乙炔的反應(yīng)機理研究這是C14標(biāo)記的典型離子?？赡苡刑钾?fù)離子中間體和卡賓中間體兩種機理。第16頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三17利用C14標(biāo)記研究得到以下結(jié)果：與Br處于反式的芳基遷移的立體專一反應(yīng)。排除了卡賓中間體機理羧酸鹽與溴化氰反應(yīng)生成腈的反應(yīng)機理研究也是C14標(biāo)記的一個例子。第17頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三18比如研究苯基烯丙基醚的Claisen重排機理。α-C還是

γ-C與苯環(huán)相連

？重排至鄰位和對位有無差別？同位素標(biāo)記研究的結(jié)果簡單明確，但引入標(biāo)記原子（同位素標(biāo)記化合物的合成）以及確定產(chǎn)物中標(biāo)記原子的位置并非易事，費用極高。波譜技術(shù)的應(yīng)用使其得以簡化，但仍然受到一定限制。通過以下繁雜的過程合成標(biāo)記化合物。第18頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三19同位素標(biāo)記不僅可以提供化學(xué)鍵斷裂的位置及基團(tuán)遷移情況，還將出現(xiàn)同位素原子影響反應(yīng)速率的動力學(xué)同位素效應(yīng)，為機理研究提供幫助。H、D、T之間的動力學(xué)同位素效應(yīng)最大，最易測量。kH/kD一般1～7第19頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三20其它同位素原子的動力學(xué)同位素效應(yīng)較小。如：

kC12/kC13＝1.04；kC12/kC14＝1.07；

kN14/kN15＝1.03；kO16/kO18＝1.02。精度較高，對儀器設(shè)備要求較高。若認(rèn)為控制步驟涉及C－H鍵斷裂，則用D標(biāo)記化合物和無標(biāo)記化合物發(fā)生同一反應(yīng)，測定相對反應(yīng)速率。堿催化下丙酮與溴的反應(yīng)機理研究是一個典型例子。kH/kD＝7測定結(jié)果：kH/kD>1，控制步驟，涉及C－H鍵斷裂

kH/kD≯1，沒有C－H鍵斷裂或有C－H鍵斷裂但不是控制步驟第20頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三21直接涉及同位素所在化學(xué)鍵斷裂的動力學(xué)同位素效應(yīng)稱為一級同位素效應(yīng)，不直接涉及同位素所在化學(xué)鍵斷裂的動力學(xué)同位素效應(yīng)稱為次級同位素效應(yīng)，一般較小。kH/kD＝7.0kH/kD＝1.07鹵代烴在堿性介質(zhì)中的消除機理研究：事實上前者可能是E2機理，后者可能是E1機理。第21頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三22第五節(jié)立體化學(xué)研究反應(yīng)過程中構(gòu)型、構(gòu)像或光學(xué)活性等的變化情況研究稱為立體化學(xué)研究。反應(yīng)物到產(chǎn)物的立體化學(xué)變化情況將為機理研究提供重要信息，對機理的擬定或驗證判斷具有非常重要的作用。可能有SN1或SN2兩種機理鹵代烴水解機理研究:第22頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三23設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的鹵代烴，使其水解，研究反應(yīng)物到產(chǎn)物光學(xué)活性的變化情況。產(chǎn)物無旋光性說明是SN1機理。無旋光性，SN1機理第23頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三242-羥基-丁二酸不同條件下的鹵代機理研究：產(chǎn)物有旋光性一定是SN2機理嗎？產(chǎn)物旋光度與S-2-丁醇相等產(chǎn)物旋光度與S構(gòu)型及R構(gòu)型均不等SN2機理SN2＋SN1機理第24頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三25＋、－與R、S以及構(gòu)型的翻轉(zhuǎn)和保持無對應(yīng)關(guān)系！通過構(gòu)型研究也可為反應(yīng)機理的研究提供重要信息。如苯甲酸酯的水解機理研究：第25頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三26是一步機理還是兩步機理？順式加成還是反式加成？分步完成的反式加成機理烯烴與鹵素加成機理的研究：鹵代烴的消除反應(yīng)機理研究：利用特殊結(jié)構(gòu)的烯烴為原料，通過對加成產(chǎn)物的構(gòu)型研究即可得到結(jié)論。第26頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三27利用特殊結(jié)構(gòu)的鹵代烴為原料，通過對消除產(chǎn)物的構(gòu)型研究即可得到結(jié)論。該產(chǎn)物說明是順式消除該產(chǎn)物說明是反式消除第27頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三28反式消除醋酸酯的熱解消除則與此相反。順式消除第28頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三29第六節(jié)反應(yīng)條件研究催化劑、溶劑、光照、自由基引發(fā)劑、自由基抑制劑等反應(yīng)條件的改變能夠加速或延緩反應(yīng)的進(jìn)行，通過不同條件下反應(yīng)結(jié)果的對比，可以為反應(yīng)機理研究提供有用的信息。改變催化劑的性質(zhì)，觀察反應(yīng)的變化情況，如果能被酸催化，可能是通過質(zhì)子或試劑中帶正電荷的部分進(jìn)攻反應(yīng)物形成碳正離子中間體的離子型機理；如果能被堿催化，可能是通過堿（如HO-）奪取質(zhì)子或進(jìn)攻帶正電荷的碳形成負(fù)離子中間體的離子型機理。1－溴環(huán)戊烷在含水乙醇溶液中與氰化鈉反應(yīng)的機理研究：第29頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三30分步完成的離子型機理溶劑的極性增加有利于試劑的離解并使中間體穩(wěn)定化，可使分步完成的離子型反應(yīng)加速。改變?nèi)軇┑臉O性，觀察反應(yīng)的變化情況，如果在極性溶劑中的反應(yīng)速度更快，說明可能是分步離子型機理，否則可能是一步完成的協(xié)同機理。加入少量碘化鈉時，反應(yīng)速率加快。否定了SN1機理。第30頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三31自由基引發(fā)劑以及光照將促使自由基的形成，使自由基反應(yīng)加速，而自由基抑制劑則具有相反作用。若自由基引發(fā)劑的加入或光照使反應(yīng)加速，而自由基抑制劑的加入使反應(yīng)減速，則可能是自由基機理。第31頁，講稿共34頁，2023年5月2日，星期三32第七節(jié)動力學(xué)研究動力學(xué)研究反應(yīng)的速率，包括反應(yīng)速率常數(shù)、反應(yīng)級數(shù)、反應(yīng)速率表達(dá)式等，動力學(xué)研究也將為機理的擬定、判斷等機理研究提供信息。通過反應(yīng)級數(shù)的測定，可判斷速率控