第3章有机反应机理研究

1、第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 第第3章章 有机反应机理研究有机反应机理研究 3-1 酸碱理论酸碱理论 3-2 反应分类和试剂分类反应分类和试剂分类 3-3 确定有机机理的方法确定有机机理的方法 3-4 溶剂效应溶剂效应 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 31 酸碱理论酸碱理论 一质子酸碱理论一质子酸碱理论 （一）基本概念（一）基本概念 给出质子的物质为酸；接受质子的物质为给出质子的物质为酸；接受质子的物质为 碱。碱。 一种酸给出质子后形成的碱称为共轭碱；一种酸给出质子后形成的碱称为共轭碱； 一种碱接受质子后形成的酸称为共轭酸。一种碱接受质子后形成的酸称为共轭酸。 酸碱反

2、应通式：酸碱反应通式： AH + B A- + BH+ （质子传递）（质子传递） 酸酸 碱碱 共轭碱共轭碱 共轭酸共轭酸 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 1有些物质既是酸也是碱。例如：丙酮在含有些物质既是酸也是碱。例如：丙酮在含 有甲醇钠的二甲亚砜中是一个酸：有甲醇钠的二甲亚砜中是一个酸： 但在浓硫酸中，是一个碱：但在浓硫酸中，是一个碱： CH3C CH3 O +CH3O CH3C O CH2 + CH3OH CH3C CH3 O + CH3C OH CH3 + H2SO4 HSO4 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 2. 2. 任何涉及质子传递的反应都可以认为是一个任何

3、涉及质子传递的反应都可以认为是一个 酸碱平衡反应酸碱平衡反应。 H +DA D +HA(亲电取代) CC+ HA CCH+A (亲电加成) CH3NO2+ HOCH2NO2 + H2O CH3COCHCOORCH3COCH2COOR + RO- + ROH 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 (二）酸碱强度的测定二）酸碱强度的测定 酸碱强度是相对的，因介质不同而不同，常酸碱强度是相对的，因介质不同而不同，常 指在水溶液中的解离常数指在水溶液中的解离常数Ka或或pKa来量度。介来量度。介 质水即可作酸又可作碱质水即可作酸又可作碱, pKa等于等于15.6。 中等中等 强度的酸碱可在水中测

4、定。强度的酸碱可在水中测定。 对于对于pKa大于大于16的极弱的酸的极弱的酸, 由酸解离的由酸解离的 H3O+小于水自身的解离的小于水自身的解离的H3O+，不能测定。，不能测定。 对于酸强度大于对于酸强度大于H3O+的强酸来说，在水中的强酸来说，在水中 他们会全部被水转变成他们会全部被水转变成H3O+， ，也测不出真实的 也测不出真实的 酸强度。这种现象成为拉平效应。酸强度。这种现象成为拉平效应。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 而许多反应会因酸浓度的少量增加，引起反应速而许多反应会因酸浓度的少量增加，引起反应速 度的显著增加。故必须找到另一种酸性标度。在度的显著增加。故必须找到另

5、一种酸性标度。在 这种情况下，最有用的是哈米特酸度函 数这种情况下，最有用的是哈米特酸度函 数 （Hammett acidity function） Hammett采用一系列的弱减指示剂来测定强酸介采用一系列的弱减指示剂来测定强酸介 质的酸度，并引入酸度函数质的酸度，并引入酸度函数H0的概念代替的概念代替pH来来 表示其强度。表示其强度。 酸度函数酸度函数Ho对于任何一个体系都有一个定值，对于任何一个体系都有一个定值， 实际反映酸将质子转移到弱碱指示剂或底物上的实际反映酸将质子转移到弱碱指示剂或底物上的 能力。能力。 Ho的负值越大，酸性越强。的负值越大，酸性越强。 第第3章有机反应机理研究章

6、有机反应机理研究 二电子酸碱理论二电子酸碱理论 凡能接受电子对的分子、离子或原子团都是酸；凡能接受电子对的分子、离子或原子团都是酸； 凡能给出电子对的分子、离子或原子团都是碱。凡能给出电子对的分子、离子或原子团都是碱。 路易斯酸碱反应的实质是：路易斯酸碱反应的实质是： 碱的未共用的或碱的未共用的或轨道里的电子对与酸的空轨道轨道里的电子对与酸的空轨道 形成共价键，表示为：形成共价键，表示为： A + B AB 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 路易斯酸碱举例：路易斯酸碱举例： 酸酸 ： 碱：碱： 环戊二烯负离子环戊二烯负离子 二茂铁二茂铁 BF3+ F BF4 Ag+ 2NH3Ag(N

7、H3)2 2C5H5 +Fe2Fe(C5H5)2 CH2CH2+ Ag CH2 CH2 Ag 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 有机物可拆分为两部分：酸和碱有机物可拆分为两部分：酸和碱 eg. 酸酸 碱碱 酸酸 碱碱 路易斯酸碱理论应用于有机化学，许多反应路易斯酸碱理论应用于有机化学，许多反应 可视为酸碱反应。如：可视为酸碱反应。如： 1）取代反应）取代反应 亲电试剂：路易斯酸；亲核试剂：亲电试剂：路易斯酸；亲核试剂： 路易斯碱。路易斯碱。 亲电取代反应即路易斯酸的置换反应。亲电取代反应即路易斯酸的置换反应。eg. C6H5-H + NO 2 + C 6H5-NO2 + H + （N

8、O2+置换置换H+） EtBr CH3COOC2H5 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 亲核取代反应即路易斯碱的置换作用。亲核取代反应即路易斯碱的置换作用。eg. CH3-Br + -OH CH3-OH + Br - （-OH置换置换Br-） 2)加成反应加成反应 不饱和键上的加成反应也可视不饱和键上的加成反应也可视 为酸碱反应。如：三氯乙醛水合，即为酸碱反应。如：三氯乙醛水合，即 H2O作为碱，而三氯乙醛作为酸相互作作为碱，而三氯乙醛作为酸相互作 用的反应。用的反应。 H2O + Cl3C-CH=O Cl3C-CH(OH)2 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 3)电荷转移

9、络合物的生成电荷转移络合物的生成 电荷转移络合物：通过电荷配位而形成电荷转移络合物：通过电荷配位而形成 的络合物。它是通过电子从给予体（碱）的的络合物。它是通过电子从给予体（碱）的 分子上转移到接受体（酸）的分子上，然后分子上转移到接受体（酸）的分子上，然后 二者以静电吸引或其它作用力相结合而形成二者以静电吸引或其它作用力相结合而形成 的。其特点是带有显著的颜色。的。其特点是带有显著的颜色。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 eg. (CH3)2C6H4.C2(CN)4 (CH3)4C6H2.C2(CN)4 橙 橙 深红深红 C2(CN)4 (NC)2C=C(CN)2 四氰乙烯四氰乙

10、烯 甲基苯是电子给予体，四氰乙烯是电子接受体。甲基苯是电子给予体，四氰乙烯是电子接受体。 苯环上甲基数目增加，络合物颜色越深，表明甲苯环上甲基数目增加，络合物颜色越深，表明甲 基数越多，电子转移程度越强。基数越多，电子转移程度越强。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 三、影响酸强度的主要因素三、影响酸强度的主要因素 （一）分子中主要原子在周期表的位置（一）分子中主要原子在周期表的位置 同一周期的元素从左至右电负性增加，氢化物酸性依次增加同一周期的元素从左至右电负性增加，氢化物酸性依次增加 碳和氮杂化形式不一样，酸性强度不一样碳和氮杂化形式不一样，酸性强度不一样 CH4NH3H2OHF

11、 酸性： 碱性： CH3NH2 HOF 酸性： HCCHH2C CH2CH3CH3 碱性： CH3CN N (CH3)3N 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 同族元素从上到下其氢化物酸性依次增强，碱性依次减弱。同族元素从上到下其氢化物酸性依次增强，碱性依次减弱。 酸性： HIHClHBr HF 碱性： NH3PH3AsH3SbH3 酸性： H2SH2O 另有诱导效应、共轭效应、空间效应和氢键等影响另有诱导效应、共轭效应、空间效应和氢键等影响 已在取代基效应中讨论已在取代基效应中讨论 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 四超强酸四超强酸 （一）涵义和性质一）涵义和性质 超强酸：

12、酸度比超强酸：酸度比100%硫酸（硫酸（Ho= -11.93）更强的酸。）更强的酸。 分类：液体超强酸：质子酸（分类：液体超强酸：质子酸（eg HSO3F，HF etc）和）和 路易斯酸路易斯酸 （eg. SbF5,AsF5）的混和物。）的混和物。 固体超强酸：固体超强酸：SbF5SiO2Al2O3， SbF5TiO2SiO2 etc. (Ho = -13.75 -14.52) （1）氟磺酸及氟磺酸）氟磺酸及氟磺酸五氟化锑五氟化锑 氟磺酸（氟磺酸（HSO3F）：）：bp=165.50C，Ho：-15.6 自身质子解：自身质子解： 2HSO3F H2SO3F+ + SO3F- HO为为Hamme

13、tt酸度函数酸度函数 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 在在HSO3F中加入路易斯酸五氟化锑（中加入路易斯酸五氟化锑（SbF5），）， 酸性增强。反应为：酸性增强。反应为： 2HSO 3 F + 2SbF 5 H 2 SO 3 F + + Sb2F10(SO3F)- 当当HSO3FSbF5=11（W/W）时，生成的超强）时，生成的超强 酸酸Ho为为-25。（。（magic acid） （2）氟化氢）氟化氢五氟化锑（氟锑酸）五氟化锑（氟锑酸） 无 水无 水 H F 中 加中 加 S b F 5 , 形 成 超 强 酸 ：形 成 超 强 酸 ： 2HF+2SbF5Sb2F11-+H2F+

14、 二者质量比为二者质量比为11时，时，H0为为-28。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 （3）三氟甲磺酸）三氟甲磺酸 CF3SO3H, Ho= 14.6, bp:162 超强酸具有极强的给质子能力，可将质超强酸具有极强的给质子能力，可将质 子给予具有未共用电子对的化合物（子给予具有未共用电子对的化合物（eg.醇，醇， 醚，酮，胺，酰胺醚，酮，胺，酰胺 etc.）以及具有）以及具有电子对的电子对的 化合物（化合物（eg.烯，芳环烯，芳环 etc.），还可将质子给），还可将质子给 予具有予具有电子对的化合物。电子对的化合物。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 3-2 有机反应

15、分类和试剂分类有机反应分类和试剂分类 v一、有机反应分类一、有机反应分类 v1、自由基反应、自由基反应 v 共价键均裂，产生自由基。共价键均裂，产生自由基。 v2、离子型反应、离子型反应 v 共价键异裂，产生正负离子中间体共价键异裂，产生正负离子中间体 v3、分子反应、分子反应 v 共价键的断裂和生成经过多中心环状过渡态共价键的断裂和生成经过多中心环状过渡态 进行的。进行的。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 二、二、 有机反应中试剂的分类有机反应中试剂的分类 主要指离子型反应：亲电试剂和亲核试剂主要指离子型反应：亲电试剂和亲核试剂 亲电试

16、剂 正离子 正离子型 酸类 氧化剂 H H3ONO2NOArN2R3CR4N CH3X （CH3）2SO4 RCHO R2CO RCO2R RCN HCl HBr H2SO4 HSO4 AlCl3 BF3 O2 Cl2 Br2 HOCl HNO3 O3 SO3 H2O2 亲核试剂 负离子 负离子型 碱类 还原剂 H HO RO RS CN RCO2 S2 NH2 RCCHRMgX RLi MCH（COOEt） NH3 RNH2 R2NH R3N Na Fe2 SO2 S 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 3-3 确定有机反应机理的方法确定有机反应机理的方法 v1、产物的鉴别、产物的鉴

17、别 所提出的机理要能解释所有的反应所提出的机理要能解释所有的反应 产物产物 如：如： v2、中间体的确定、中间体的确定 方法如下几种：方法如下几种： v反应中途停止，将中间体分离出来反应中途停止，将中间体分离出来 如如Hofmann反反 应：应： CH4 + Cl2CH3Cl 还有少量CH 3CH3 RC O NH2 + NaOBr RNH2 分离出中间体：RCONHBr RCONH2 NaOBr RCONHBrRCONBr -Br RC O N R-N=C=O H2O RNHC O OHRNH2 -CO2 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 中间体的检测：利用红外、核磁、顺磁中间体的

18、检测：利用红外、核磁、顺磁 和其它光谱检测。和其它光谱检测。 中间体的捕获：加入另一试剂使中间体中间体的捕获：加入另一试剂使中间体 与加入的试剂发生反应。如：与加入的试剂发生反应。如： 用二烯的用二烯的DielsAlder反应捕获苯炔中间体反应捕获苯炔中间体 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 3、催化剂作用、催化剂作用 机理应与催化剂的作用相符。机理应与催化剂的作用相符。 如酸催化烯烃加水，反应过程与质子的作用相如酸催化烯烃加水，反应过程与质子的作用相 符。符。 4、同位素标记：确定反应过程中原子的去向、同位素标记：确定反应过程中原子的去向 5、立体化学证明、立体化学证明 据化合物的

19、构型变化推断键据化合物的构型变化推断键 的形成和方式。的形成和方式。 反式加成反式加成 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 构型翻转构型翻转 酰氧键断裂酰氧键断裂 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 6、化学热力学方法：利用反应中的焓变和自化学热力学方法：利用反应中的焓变和自 由能变化，可以计算平衡常数由能变化，可以计算平衡常数K G=HTS G=RTlnK=2.303 RTlgK G为正，为正，K值很小，对反应不利；值很小，对反应不利； G为负，为负，K值较大，对反应有利；值较大，对反应有利； 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 7、动力学、动力学 研究决速步骤研究决

20、速步骤 溴化速率取决于酸碱的浓度而与溴的浓度无关。溴化速率取决于酸碱的浓度而与溴的浓度无关。 即决定反应速率的步骤是丙酮的烯醇化，而不是溴化。即决定反应速率的步骤是丙酮的烯醇化，而不是溴化。 快快 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 8、同位素效应、同位素效应 同位素效应：当反应物分子中的氢置换时，反应速率同位素效应：当反应物分子中的氢置换时，反应速率 往往会发生改变，这种变化称往往会发生改变，这种变化称为重氢为重氢同位素效应。同位素效应。 由于由于键断裂所需活化能要比键断裂所需活化能要比 键断裂所需活化能小，因此在反应中键断裂所需活化能小，因此在反应中 键断裂速率比键断裂速率比键快。

21、一般情况下，键快。一般情况下， 当当、或或键的断裂发生在键的断裂发生在 决定速率步骤时，就会出现同位素效应，同决定速率步骤时，就会出现同位素效应，同 位素效应的值位素效应的值k k 。 。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 例如，碱催化的例如，碱催化的-苯基苯基-1-溴乙烷的消除反应的同位溴乙烷的消除反应的同位 素效应很强（素效应很强（k k .1），这表明在过渡态中），这表明在过渡态中 键几乎完全断裂键几乎完全断裂。 又如，丙酮的溴化反应速率与溴浓度无关的事实，又如，丙酮的溴化反应速率与溴浓度无关的事实， 可假定反应的速率控制步骤是丙酮的互变异构反应。可假定反应的速率控制步骤是丙酮

22、的互变异构反应。 PhCH2CH2Br * NaOH PhCH CH2 用氘代丙酮溴化时用氘代丙酮溴化时, k k 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 4-4 动力学控制和热力学控制动力学控制和热力学控制 v若产物量取决于反应速率者称为动力学控制若产物量取决于反应速率者称为动力学控制(kinetic control)或速率控制；若产物是根据热力学平衡得到或速率控制；若产物是根据热力学平衡得到 者称为热力学控制者称为热力学控制(themodynamic control)或平衡控或平衡控 制。制。 v对于两个相互竞争的不可逆反应，主要产物是动力学对于两个相互竞争的不可逆反应，主要产物是动力

23、学 控制的产物。控制的产物。 v如在极性溶剂中，丙烯与溴化氢的加成反应进程中，如在极性溶剂中，丙烯与溴化氢的加成反应进程中， 活性中间体活性中间体CH3C+HCH3比比CH3CH2C+H2能量低，因而能量低，因而 生成生成2-溴丙烷的速率大于生成溴丙烷的速率大于生成1-溴丙烷溴丙烷的速率。的速率。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 对于两个相互竞争的可逆反应，在平衡建立前，产物对于两个相互竞争的可逆反应，在平衡建立前，产物 仍为动力学控制仍为动力学控制; 达到平衡时，能量较低，稳定性较达到平衡时，能量较低，稳定性较 大的产物量较多，即为热力学控制。大的产物量较多，即为热力学控制。 例

24、如：例如：1,-丁二烯与氯化氢的加成反应，丁二烯与氯化氢的加成反应，2-加成加成 产物是动力学控制的产物，产物是动力学控制的产物，-加成产物是热力加成产物是热力 学控制的产物。其反应式如下：学控制的产物。其反应式如下： 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 此类可逆反应的产物比例可通过控制反应条件此类可逆反应的产物比例可通过控制反应条件(如温度、如温度、 时间、溶剂等时间、溶剂等)实现。一般较高温度、长时间反应有利实现。一般较高温度、长时间反应有利 于热力学控制的于热力学控制的产物。产物。 因为因为， ， ， ，2 在有机化学反应中，绝大多数反应是受动力学控制的。在有机化学反应中，绝大多

25、数反应是受动力学控制的。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 3-5 溶剂效应溶剂效应 化学反应：化学反应： 内因：内因：A,B分子结构，性质；分子结构，性质； 外因：溶剂，温度，催化剂，时间等。外因：溶剂，温度，催化剂，时间等。 溶剂化：溶质和溶剂相互作用。指溶液溶剂化：溶质和溶剂相互作用。指溶液 中溶质被附近的溶剂分子包围起来的现象。中溶质被附近的溶剂分子包围起来的现象。 溶剂效应：溶剂对反应速度，化学平衡溶剂效应：溶剂对反应速度，化学平衡 及反应机理的影响。及反应机理的影响。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 一溶剂的分类和性质一溶剂的分类和性质 两种分类方法：两种分类

26、方法： 1根据溶剂极性大小分类：极性溶剂根据溶剂极性大小分类：极性溶剂 （15）或偶极溶剂；非极性溶剂（）或偶极溶剂；非极性溶剂（ Cl- Br- OH-; CH3O- N2- SCN- I- CN- Eg.亲核取代中，离去基团负离子的溶剂化，质亲核取代中，离去基团负离子的溶剂化，质 子溶剂中：有利于反应。子溶剂中：有利于反应。 RX + H S SN1 RX H S R+ X -H S Y - RY+X -H S (溶剂化，稳定) 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 （二）正离子的溶剂化（二）正离子的溶剂化 A.正离子特殊溶剂化剂：正离子特殊溶剂化剂： 电子给体溶剂，电子给体溶剂，e

27、g.开链醚，冠醚；开链醚，冠醚； 具有电子给体分子结构的极性非质子溶剂。具有电子给体分子结构的极性非质子溶剂。 冠醚具有专门使冠醚具有专门使Na+,K+等正离子溶剂化的性质等正离子溶剂化的性质 （使反应加速）（使反应加速） eg. CH3(CH2)7Br + KF CH3(CH2)7F 18-冠冠-6是一种良好的相转移催化剂（是一种良好的相转移催化剂（PTC） 18-冠-6 苯 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 B.极性非质子溶剂极性非质子溶剂 举例举例 DMF： 12.7410-30cm DMAC： 12.6410 - 30cm DMSO： 13.4410-30cm HMPA： 1

28、4.3710 - 30cm C O HN CH3 CH3 CH3C O N CH3 CH3 S O H3CCH 3 P O N(H 3C)2 N(CH 3)2 N(CH 3)2 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 结构特点结构特点 偶极正端藏在分子内部，负端暴偶极正端藏在分子内部，负端暴 露在外，位阻小，给电子性强；负端露在外，位阻小，给电子性强；负端 易于与正离子发生离子易于与正离子发生离子-偶极作用，即偶极作用，即 溶剂可使正离子溶剂化；也能使试剂溶剂可使正离子溶剂化；也能使试剂 分子产生活性很高的负离子，从而加分子产生活性很高的负离子，从而加 快反应速度。快反应速度。 第第3章有

29、机反应机理研究章有机反应机理研究 不同溶剂使正离子溶剂化的强度次序：（给电子能力大小不同溶剂使正离子溶剂化的强度次序：（给电子能力大小 顺序）顺序） HMPA DMSO DMAC DMF CH3CN CH3NO2 卤素负离子在极性非质子溶剂中亲核性次序：卤素负离子在极性非质子溶剂中亲核性次序： F- Cl- Br- I- 应用于卤素交换反应：应用于卤素交换反应： CH3I + F- CH3F + I- 该反应在该反应在DMSO中比在中比在CH3OH中快中快107倍。倍。 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 （三）静电溶剂化效应（三）静电溶剂化效应 溶剂化静电理论：用溶剂极性确定相对的溶

30、剂化能溶剂化静电理论：用溶剂极性确定相对的溶剂化能 力及对反应的影响。力及对反应的影响。 1溶剂极性对溶质离子化过程的影响；溶剂极性对溶质离子化过程的影响； 溶质溶质(R-L)在溶剂在溶剂S中离子化过程：中离子化过程： 紧密离子对紧密离子对 溶剂分离离子对溶剂分离离子对 溶剂化离子溶剂化离子 (A) (B) (C) RL S R+L-R+ L- sRs+ +Ls- 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 溶剂化程度与溶剂和离子的性质有关：溶剂化程度与溶剂和离子的性质有关： 当当40，如所示：克服正、负离子间静电，如所示：克服正、负离子间静电 引力，成为自由的溶剂化离子。如引力，成为自由的溶剂化离子。如(C)所示。所示。 RL S R+L-R+ L- sRs+ +Ls- 第第3章有机反应机理研究章有机反应机理研究 三、溶剂极性对某些反应速度的影响：三、溶剂极性对某些反应速度的影响： a.若反应的过渡态比起始物分子具有较大电荷分若反应的过渡