有机反应机理的研究方法

关于有机反应机理的研究方法1第1页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五2从反应物到产物所经历的全部具体过程称为反应历程或反应机理。在有机化学发展初期，人们很少注意反应的机理更重视结果。发现:酸碱均加速;V∝丙酮与溴无关到了20世纪30年代以后，随着价键理论的建立与发展，人们越来越迫切地希望了解反应到底是怎样进行的，这成为反应机理研究的原动力，反应机理的研究工作得到大力开展。第一节概述1903年Lapworth发现:碱加速酸减速第二年提出了对反应的一些看法和假设，开创了反应机理的研究工作。第2页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五3研究反应机理一般采用以下几个基本步骤：①提出一个与已有实验事实及理论知识相符的假设；②设计并进行能够检验所提出的假设的实验；③根据实验结果对原假设进行修正或推断。上述步骤常要重复多次，要全面而客观地收集并解释所有与反应有关的事实结果，尤其要注意那些与假设机理不符的实验事实，很有可能就在其中隐藏着正确的反应机理线索提示我们去探索。还要注意的是对同一实验事实的解释可能有多种选择，与实验事实相符的反应机理也可能不只一种，为此要仔细反复推敲、去伪存真，以得到合理的令人信服的反应机理。机理研究的实际意义:真正控制反应;

设计新化合物的合成方法和合成路线。第3页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五4一个有机反应机理的得来并不是一件容易的事。分子的振动或碰撞引起的一次变化(即反应)往往在极短的时间内（10－12～10－14s）完成。用一种方法通过一个实验通常很难得到满意的反应机理，往往要使用多种实验技术、采用多种方法、从不同的角度进行全面的研究才能得到。概括起来，用于有机反应机理研究的方法主要有产物研究、中间体研究、同位素标记研究、立体化学研究、反应条件研究和动力学研究等。第4页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五5第二节产物研究产物研究是反应机理研究的第一步。确定结构、对比结构、判断变化。同一种（类）反应物得到不同产物，机理不同第5页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五6产物研究也应包括副产物的研究，一个不能说明所有产物的机理肯定是不正确的。除了正常的加成产物以外，还有重排产物，说明不是一步完成的反应同一类反应物得到同一类产物，机理可能相同。不能说明乙烷生成的机理肯定不正确。第6页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五7产物研究还应包括反应物、产物间的数量关系产物研究的具体过程一般是分离提纯、理化常数测定、结构表征。分离提纯过虑分液萃取洗涤蒸馏重结晶层析理化常数测定熔点沸点分子量折射率旋光度密度结构表征元素分析红外光谱核磁共振谱紫外光谱质谱专一反应;竞争反应;平行反应。反应物或中间体的对称结构。第7页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五8第三节中间体研究一个反应机理是否正确，中间体是最有力的证据；对一个未知反应，中间体的存在及其结构则可为机理的拟定提供有用的信息。根据中间体稳定性的不同主要有离析、检测和捕获等几种具体研究方法。一、中间体的离析若中间体比较稳定或在一定条件下是稳定的，可以创造条件使反应突然终止，分离出中间体并测定其结构。所得中间体及其结构与假设的机理相符，原机理是否正确？存在A直接生成C和经历B生成C二个反应B未必一定是中间体将中间体恢复原环境，观察是否以相同速度生成相同产物。不一定，可能是在改变条件的情况下产生的。若以相同速度生成相同产物原机理一定正确吗？第8页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五9Claisen酯缩合反应机理研究过程中就出现过这种情况。存在与主反应无关的可逆平衡反应B未必一定是中间体第9页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五10通过中间体离析研究得到反应机理的实例很多。第10页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五11二、中间体的检测对于不太稳定的中间体甚至是活性中间体，可以采用现代物理方法检测其存在。用Raman光谱检测到NO2+IR在238.5～241.5出现吸收带反应体系多为复杂的混合物，因此能够给出特征信号的中间体才能被检测到，而且要有一定的浓度。最常用的是IR和ESR，前者检测具有特征吸收的基团，后者检测自由基。第11页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五12三、中间体的捕获对一些太活泼或浓度太低既不能离析又难以检测的中间体，可以向反应体系中加入能与中间体反应的捕获剂，通过考察是否生成反映中间体特性的新产物以证明中间体的存在。比如用自由基捕获剂捕获烃基自由基、烯烃捕获卡宾、用共轭二烯烃捕获苯炔等。第12页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五13第四节同位素标记研究以同位素标记化合物为原料或试剂，反应结束后测定同位素的分布，可以确定反应时化学键断裂的位置以及标记原子或基团的迁移途径，为机理研究提供有用的其它方法难以得到的信息。最常用的标记原子有D、C14、O18等。常用的检测方法有质谱和放射性探测仪（O18无放射性）。利用O18标记的最典型例子是羧酸酯的水解机理研究。第13页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五14羧酸酯的碱性水解是不是SN2机理？回收酯含O18回收酯O18减少同位素标记研究表明，并非简单的SN2机理,而是经历四面体中间体的加成消除机理。第14页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五15利用D标记的最典型例子是苯甲醛的Cannizzaro反应机理研究。第15页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五16利用氚（T）标记的典型离子是苯丙氨酸氢移位反应机理研究。1-溴-2,2-二苯乙烯在碱的作用下生成二苯乙炔的反应机理研究这是C14标记的典型离子。可能有碳负离子中间体和卡宾中间体两种机理。第16页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五17利用C14标记研究得到以下结果：与Br处于反式的芳基迁移的立体专一反应。排除了卡宾中间体机理羧酸盐与溴化氰反应生成腈的反应机理研究也是C14标记的一个例子。第17页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五18比如研究苯基烯丙基醚的Claisen重排机理。α-C还是

γ-C与苯环相连

？重排至邻位和对位有无差别？同位素标记研究的结果简单明确，但引入标记原子（同位素标记化合物的合成）以及确定产物中标记原子的位置并非易事，费用极高。波谱技术的应用使其得以简化，但仍然受到一定限制。通过以下繁杂的过程合成标记化合物。第18页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五19同位素标记不仅可以提供化学键断裂的位置及基团迁移情况，还将出现同位素原子影响反应速率的动力学同位素效应，为机理研究提供帮助。H、D、T之间的动力学同位素效应最大，最易测量。kH/kD一般1～7第19页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五20其它同位素原子的动力学同位素效应较小。如：

kC12/kC13＝1.04；kC12/kC14＝1.07；

kN14/kN15＝1.03；kO16/kO18＝1.02。精度较高，对仪器设备要求较高。若认为控制步骤涉及C－H键断裂，则用D标记化合物和无标记化合物发生同一反应，测定相对反应速率。碱催化下丙酮与溴的反应机理研究是一个典型例子。kH/kD＝7测定结果：kH/kD>1，控制步骤，涉及C－H键断裂

kH/kD≯1，没有C－H键断裂或有C－H键断裂但不是控制步骤第20页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五21直接涉及同位素所在化学键断裂的动力学同位素效应称为一级同位素效应，不直接涉及同位素所在化学键断裂的动力学同位素效应称为次级同位素效应，一般较小。kH/kD＝7.0kH/kD＝1.07卤代烃在碱性介质中的消除机理研究：事实上前者可能是E2机理，后者可能是E1机理。第21页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五22第五节立体化学研究反应过程中构型、构像或光学活性等的变化情况研究称为立体化学研究。反应物到产物的立体化学变化情况将为机理研究提供重要信息，对机理的拟定或验证判断具有非常重要的作用。可能有SN1或SN2两种机理卤代烃水解机理研究:第22页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五23设计特殊结构的卤代烃，使其水解，研究反应物到产物光学活性的变化情况。产物无旋光性说明是SN1机理。无旋光性，SN1机理第23页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五242-羟基-丁二酸不同条件下的卤代机理研究：产物有旋光性一定是SN2机理吗？产物旋光度与S-2-丁醇相等产物旋光度与S构型及R构型均不等SN2机理SN2＋SN1机理第24页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五25＋、－与R、S以及构型的翻转和保持无对应关系！通过构型研究也可为反应机理的研究提供重要信息。如苯甲酸酯的水解机理研究：第25页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五26是一步机理还是两步机理？顺式加成还是反式加成？分步完成的反式加成机理烯烃与卤素加成机理的研究：卤代烃的消除反应机理研究：利用特殊结构的烯烃为原料，通过对加成产物的构型研究即可得到结论。第26页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五27利用特殊结构的卤代烃为原料，通过对消除产物的构型研究即可得到结论。该产物说明是顺式消除该产物说明是反式消除第27页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五28反式消除醋酸酯的热解消除则与此相反。顺式消除第28页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五29第六节反应条件研究催化剂、溶剂、光照、自由基引发剂、自由基抑制剂等反应条件的改变能够加速或延缓反应的进行，通过不同条件下反应结果的对比，可以为反应机理研究提供有用的信息。改变催化剂的性质，观察反应的变化情况，如果能被酸催化，可能是通过质子或试剂中带正电荷的部分进攻反应物形成碳正离子中间体的离子型机理；如果能被碱催化，可能是通过碱（如HO-）夺取质子或进攻带正电荷的碳形成负离子中间体的离子型机理。1－溴环戊烷在含水乙醇溶液中与氰化钠反应的机理研究：第29页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五30分步完成的离子型机理溶剂的极性增加有利于试剂的离解并使中间体稳定化，可使分步完成的离子型反应加速。改变溶剂的极性，观察反应的变化情况，如果在极性溶剂中的反应速度更快，说明可能是分步离子型机理，否则可能是一步完成的协同机理。加入少量碘化钠时，反应速率加快。否定了SN1机理。第30页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五31自由基引发剂以及光照将促使自由基的形成，使自由基反应加速，而自由基抑制剂则具有相反作用。若自由基引发剂的加入或光照使反应加速，而自由基抑制剂的加入使反应减速，则可能是自由基机理。第31页，共34页，2022年，5月20日，1点4分，星期五32第七节动力学研究动力学研究反应的速率，包括反应速率常数、反应级数、反应速率表达式等，动力学研究也将为机理的拟定、判断等机理研究提供信息。通过反应级数的测定，可判断速率控制步骤有多少分