有机化学反应机理的研究.课件

1、第三章 有机化学 反应机理的研究研究反应机理的目的: 认识在反应过程中，发生反应的体系中，原子或原子团在结合位置、次序以及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决定。分子的振动和碰撞时间：10-12至10-14s机理是反应发生的真实过程：哪些键断裂和生成、包括多少步反应、每步的相对速率等。1、均裂 成键的一对电子平均分给两个成键原子或基团自由基（游离基）2、异裂成键的一对电子完全为成键原子中的一个原子或基团所有，形成正、负离子。第一节 反应机理一、机理和反应的类型3、周环反应 （协同反应）通过环状过渡态进行的

2、反应二、反应的类型断裂方式反应物与生成物的关系反应将向产物方向进行到什么样程度？ 一般来说，任何体系都有转变成它们最稳定状态的趋势，因此，可以预料当产物的稳定性愈大于反应物的稳定性时，则平衡愈移向产物一侧。热力学研究：通过化学反应中的热效应来求得相关机理方面的信息，即研究化学反应的能量变化，不涉及反应具体过程。 要使反应发生，产物的自由能必须低于反应物的自由能，即G必须是负值。 自由能由两部分组成： G = H - TS 三、反应的热力学要求 (反应的可能性和倾向)1、反应的焓变 本质上是反应物和产物键能的差，可以通过计算得到，与实际测量值相符。 焓变与温度无关- H = 键能（生成）- 键能

3、（断裂）G = H - TS H 0， G 0，S 0，任何温度下反应不能自发进行H 0，S / TS / ，G 0，S 0， /H / / TS / ，G 0， 反应自发进行，高温有利2、反应的熵变 随体系的无序性不同相差很大，体系越无序，熵值越大自然条件下，低焓高熵的体系比较稳定在反应体系中，焓自发降低，熵自发增大许多反应的熵效应很小，而主要由焓变来决定反应能否发生但对于某些类型的反应，熵很重要，能支配焓1）液体的熵值比气体低，固体的熵值比液体低 自由度、随机度 任何反应，如果反应物是液体，产物中有气体， 反应是热力学有利的G = H - TS关于熵值S的研究可以提供反应类型的信息：分解反

4、应： S 8 17 kJ/mol消除反应： S -3 4 kJ/mol重排反应： S -20 0 kJ/mol化合反应： S -20 -15 kJ/mol2）产物分子数与反应物的相等 A+B C+D 熵效应很小产物分子数比反应物的多 A C+D熵增加，热力学有利的产物分子数比反应物的少 A+B C熵降低，要使反应发生，应当有相当量的焓减小，以克服熵变造成的不利G = H - TS3）尽管分子断裂反应在熵效应上是有利的，但许多潜在的断裂并不发生例如： 乙烷分子断裂为两个甲基自由基的反应，是熵效应有力的。由于反应需要吸收330 kJ/mol的热量（C-C键能），但却没有新键生成以补偿焓的增加，所以

5、不能发生。 当在足够高的温度下，反应才可以发生。A C+D4）非环分子比环状分子具有更大的熵值 构象多 开环反应是熵效应有利反应四、反应的动力学要求 （反应的现实性） 负的G 是反应自发发生的必要条件但不是充分条件。仅仅由于反应具有负的G ，不能表示反应将在一段合理的时间内发生，即化学反应热力学特征不能告诉我们关于反应速率的问题。H2 + O2 = H2O 尽管反应的- G 很大，室温时可共存数百年不反应自由能反应进程活化自由能活化自由能反应的自由能过渡态（活化络合物）反应进程中体系的自由能曲线Gr Gf 放热反应为什么也需要活化能？ 通常部分键的断裂要在部分键生成之前，即必须首先消耗能量使旧

6、键断裂，为新键的生成做准备。 过渡态是指反应释放的能量正好能够补充这一初始投入的能量。能量的来源：碰撞提供越过活化能垒所需的能量温度可以影响反应速率反应物的浓度可以影响反应速率第二节 热力学控制及动力学控制某一反应物A在一定条件下可能转变成两种产物B和C ABC速率常数 kBKC (B比C更稳定) 2、若平衡 还未建立，停止反应1、反应初期G C GB (活化自由能)kCkB ， A转变成C较容易, CB主产物为C 这种产物的比例由反应速度控制的过程叫动力学控制或速度控制反应。主产物为C ： C = = kCA, ： B = = kBA,则： C /B = kC / kB 1, C B 3、如

7、果建立了平衡，KBKC (B比C稳定) KB/KC = / = B/C 1 反应产物的比例由其相对热力学的稳定性来控制的反应叫热力学控制或平衡控制的反应则主产物为B分子轨道理论的解释-位电子云密度高，所以-位的亲电取代是动力学控制的反应。-位的空阻比-位大，所以-位的亲电取代是热力学控制的反应。第三节确定有机反应机理的方法确定反应机理的原则:1）提出的机理应明确解释所有实验事实2）机理中的每一步在能量上是允许的、化学上是 合理的3）基元反应应是单分子或双分子的4）机理应具有一定的预见性，即针对结构的改变来预见新底物的反应速率和产物变化基本步骤：1）提出一个与已有实验事实及理论知识相符的假设；2

8、）涉及并进行实验来检验假设机理；3）根据实验结果对假设机理进行修正或推断。一、 产物及副产物的鉴定 提出的机理应能解释所有的产物二、中间体的确定中间体的检测 中间体的捕获 可疑中间体的合成反应中间体可用：分离中间体、“截留”中间体紫外-可见光谱、红外光谱、核磁共振、电子顺磁共振、质谱 等加以鉴定。 含氟有机分子具有特殊的代谢稳定性和强的生物活性。近30%的现代合成药物及农业化学品的分子中至少含有一个氟原子。三氟甲基化反应2007年2008年 Shibata试剂1978年三氟甲基化试剂2013年，我们的工作1984年Umemoto 试剂2006年 Togni试剂Xu C.; Liu J.; Mi

9、ng W.; Liu Y.; Wang M.; Liu Q. Chem. Eur. J. 2013, 19, 9140. 三、同位素标记 引入标记原子（标记化合物合成）分析产物中标记原子的位置，费用较高常用的同位素： D、14C、15N、18O酯的水解反应，证明发生了酰氧裂解四、催化作用研究催化剂能同时影响正、逆反应速度。机理应与催化作用相符合如，能被酸催化的反应可能涉及碳正离子机理被碱催化的反应可能涉及碳负离子机理受自由基抑制剂影响的反应可能涉及自由基机理五、立体化学证据从立体化学的信息获得有关机理的证明根据化合物的构型、构象等变化作出理性的判断樟脑衍生物分子中羰基的还原空阻差别不大，得热力

10、学产物研究各种反应因素，如浓度、压力、温度、催化剂等对反应速度的影响。可以提供有关反应过程的信息。反应速度是反应物消失的速度或产物生成的速度。多步反应中，决速步骤是反应速度最慢的一步。六、动力学证据动力学研究证明，溴化速率取决于酸、碱的浓度，而与溴的浓度无关，烯醇化一步为决速步骤。动力学同位素效应 也是阐明机理的重要方法，提供动力学研究方法中有关哪根键断裂或形成的信息。最常用的是用氘来代替氕。 当反应底物中的一个原子被它的同位素取代后，对它的化学反应性没有影响，但反应速度有显著的影响。同位素效应分一级同位素效应和次级同位素效应。一级同位素效应：涉及在决速步骤中与同位素直接相连的键发生断裂，此时

11、所观察到的效应, 其值通常在kH/kD 为2-8之间。次级同位素效应：在反应中与同位素直接相连的键不发生变化，而是分子中其它化学键变化所观察到的效应，其值通常在kH/kD = 0.7-1.5范围内。 （通常由超共轭引起） 与质量大的同位素相连的键由于基态振动能低而就需要较高的活化能，从而表现为较低的离解反应速度。产生同位素效应的原因：势能C-H键离解能C-D键离解能核间距键的基态振动能与原子质量的平方根成反比动力学研究证明，溴化速率取决于酸、碱的浓度，而与溴的浓度无关，烯醇化一步为决速步骤。kH/kD = 7若决速步骤为烯醇化一步，将涉及C-H的断裂，必有明显的同位素效应！第四节取代基效应和线

12、性自由能关系一、分子结构和反应性能的定量关系 哈密特（美）方程的建立 20世纪30年代高等有机化学研究的主要课题之一哈密特指出“相似化合物，其反应性能相似；电子结构上相似的改变引起反应性能相似的变化”= lgK/K0哈密特在研究间位和对位取代基对苯甲酸的电离常数（即酸度）的影响时，发现该影响效应能够定量预测大量反应中的取代基效应。首先定义了取代基常数为取代苯甲酸的电离常数与苯甲酸在水溶液中的电离常数的比值的对数：K和K0分别为取代苯甲酸和苯甲酸的电离平衡常数1、取代基常数 由表可知，凡为正值的原子团都是吸引电子的原子团，而为负值的原子团都是排斥电子的原子团。一些取代基的 值取代基间对取代基间对

13、NH2-0.16-0.66F+0.337+0.062NMe3-0.21-0.83Cl+0.373+0.227OH+0.12-0.37Br+0.391+0.232OMe+0.115-0.27I+0.352+0.276Ph+0.06-0.01COMe+0.376+0.502Me-0.069-0.17CF3+0.43+0.54H00NO2+0.71+0.778= lgK/K0哈密特（Hammett）方程：lgK/K0 = 或 lgk/k0 = 称为反应常数，是反应对取代基极性效应的敏感性的定量尺度，决定于反应特性和条件，同一类型的反应在相同条件下值相同。 研究取代苯甲酸酯的水解反应，建立了关系方程

14、取代基常数定量地表示取代基的极性效应，只取决于取代基的结构和位置，与反应类型和反应条件无关。2、反应常数K和K0、k/k0分别为取代苯甲酸酯和苯甲酸酯的水解平衡常数和速率常数lgk/k0 = 只要测定苯甲酸酯和取代苯甲酸酯的速率常数，利用已知的值，就可计算某一反应的值。例，相同条件下，间硝基苯甲酸乙酯的碱性水解是苯甲酸乙酯的水解的63.5倍，试确定该水解反应的值，并计算相同条件下对甲氧基苯甲酸乙酯水解的相对速率kp-OMe/kH。 已知m-NO2 = 0.71，p-OMe = -0.27解：由 lgkm-NO2/kH = m-NO2得 lg63.5 = 0.71 所以 = 2.54带入 lgk

15、p-OMe/kH = p-OMe = 2.54 （-0.27) = -0.69得 kp-OMe/kH = 0.21值的大小可度量反应中取代基的电子效应对反应影响程度，值愈大，则反应对取代基的极性的敏感性越高。如果一类反应具有正值，则表示在总反应中反应速度控制步骤的过渡态中出现负电荷，这些反应能被吸电子的取代基加速；如果某一类反应的值为负，则表示在总反应中反应速度控制步骤的过渡态中出现正电荷，吸电子的取代基使反应的速度减慢； 值等于零表示一个反应不显示取代基对它们的影响。 随着取代基与反应中心距离的加大，其值减少，如取代羧酸在水中电离的值： XC6H4CO2H 1.00XC6H4CH2CO2H

16、0.49XC6H4CH2CH2CO2H 0.21XC6H4CH=CHCO2H 0.47自由能、速率常数（平衡常数）与温度的关系任意反应 G = -RTlnK 即 G = -2.3RTlgK无取代基 G0 = -RTlnK0 即 G0 = -2.3RTlgK0 得 lgK = -G/2.3RT， lgK0 = -G0/2.3RT 根据哈密特方程： lgK/K0 = lgK-lgK0 = 因此 -G/2.3RT + G0/2.3RT = - G = 2.3RT- G0二、哈密特方程的理论基础 哈密特方程是一个线性自由能关系式证明：结论：对于给定条件下的特定反应，、R、T和G0都是常数，则 G 与

17、成线性关系。 哈密特方程的局限性：脂肪族化合物和邻位取代苯衍生物，一般不服从哈密特方程 由于在这些化合物中取代基对反应的影响除了电子效应还有空间效应，而对于各种反应来说空间效应影响是不同的。 总之，任何引起过渡态中空间情况更改的变化也将使之不符合直线关系。第五节 有机酸碱一、布朗斯特(Brnsted)酸碱理论 布朗斯特理论认为：酸是质子的供体，释放出质子后形成共轭碱；碱是质子的受体，接受质子后形成共轭酸。酸碱的相对性酸：碱：常见有机酸：醇、羧酸、活泼亚甲基化合物等释放质子后负电荷可被氧稳定 RO 释放质子后负电荷可被共轭效应分散而稳定常见有机碱：带有孤电子对的含氮、含氧等化合物几种酸的pKa值

18、 通过测定反应平衡的位置确定碱性增强酸性减弱酸性介于H3O+和H2O之间的酸可以得到准确的pKa值根据表中酸的强度顺序就可判断给定的酸与碱是否能够发生反应，任何酸都可与排在其后的任何碱反应2路易斯(lewis)酸碱电子论酸是电子对的接受体，碱是电子对的给予体。 lewis酸碱反应形成配位键，产生加合物。 lewis酸具有亲电性，lewis碱具有亲核性。常见的lewis酸： 常见的lewis碱:二、路易斯（lewis）酸碱理论三种常见的有机反应模式依据lewis酸碱理论，大部分有机反应可以纳入酸碱反应来进行讨论简单的酸碱反应模式不常见Lewis理论的优势：其定义着眼于分子的电子结构而不是某个元素

19、，扩展了酸碱范围不足：1、Lewis酸的强度很少能用定量方法测定，因为Lewis酸的酸性依赖于碱及可作为碱的溶剂的性质； 2、定义的范围过宽，给理解和应用带来不便。如，HOAc和H2SO4等一般情况下是通过释放出H+表现出酸性的，但没有接受电子对，所以根据lewis理论它们不能被纳入lewis酸，只能被看做lewis酸碱配合物。实际解决方法：在一般意义上谈及酸和碱的含义时多指Brnsted理论定义的酸和碱，当使用lewis理论时则意味着它和一般的酸碱不一样。失配的Lewis 对非金属催化氢化的新策略Frustrated Lewis Pairs（FLPs）主族化学研究领域的亮点例如： Et2OB

20、F3, H3NBH3一种极端情况：当Lewis 酸和Lewis 碱的空间位阻过大时, 彼此不能形成正常的Lewis 酸碱加合物。Frustrated Lewis Pairs2006年, Stephan等发表了第一篇非金属活化氢分子的研究论文, 并首次提出“失配的Lewis 对”的概念迄今，477篇相关报道2013年, 142篇2012年, 115篇2011年, 78篇2010年, 80篇2009年以前，62篇X分子内“失配的Lewis对”为非金属活化H2 提供了可能芳香亲核取代Welch, G. C. R.; Juan, R. S.; Masuda, J. D.; Stephan, D. W.

21、 Science 2006, 314, 1124.氢卤交换两性离子（无色）膦/硼烷（橘红色）定量转化理论研究表明：膦/硼烷分子之间由于CHF氢键的稳定作用, 形成“遭遇络合物(encounter complex)”, 在这一物种中, 硼原子和磷原子会互相靠近, 但由于极大的空间位阻, 它们之间无法形成配位键, 当其暴露在氢气氛围时, 这种受体-给体之间形成的“活性口袋”可以使氢分子发生异裂, 得到两性离子，起到非金属活化H2的作用.两性离子膦/硼烷例：直接利用氢气进行非金属催化氢化Welch, G. C.; Stephan, D. W. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129,

22、 1880. 开发新的、能可逆活化H2的“失配的Lewis对”体系, 是FLPs化学的首要任务.膦/硼烷体系胺/硼烷体系Sumerin, V.; Schulz, F.; Atsumi, M.; Wang, C.; Nieger, M.; Leskel, M.; Repo, T.; Pyykk, P.; Rieger, B. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14117.手性“失配的Lewis 对”催化的不对称氢化反应一般情况下，以氢气作为氢源进行的不对称催化氢化仅局限于金属-手性配体催化体系基于R-（+）-樟脑的手性“失配的Lewis 对”Chen, D. J.; Wa

23、ng, Y. T.; Klankermayer, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 9475.四、软硬酸碱理论酸碱反应发生的难易程度依赖于酸和碱的强弱，同时在很大程度上也依赖于酸和碱的软硬度硬酸：受体原子较小，较多正电荷，价电子层无未成对电子，可极化度低，电负性高硬碱：给体原子电负性高，难于氧化，可极化度低，对价电子束缚牢固软酸：受体原子较大，较少正电荷，价电子层有未成对电子，可极化度高，电负性低软碱：给体原子电负性低，易于氧化，可极化度大，对价电子束缚松散软硬酸碱粗略分类，并无明确区分标准同周期元素由左到右硬度增强：F- OH- NH2- CH3-同族元素由上到下硬度减弱：F- Cl- Br- I-可极化度越大，硬度减弱：RO- OH- RS-规则1即HSAB理论：硬酸倾向于同硬碱反应 软酸倾向于同软碱反应说明：该规则与酸碱的强