第三章-有机反应机理测定方法和活泼中间体

第三章有机反应机理测定方法和活泼

中间体

研究反应机理的目的:是认识在反应过程中，反应体系中的原子或原子团在结合位置、次序和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。3.1反应的热力学

当我们研究一个有机反应时，最希望了解的是这一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。△

G=△H-T△S而△G=-RTlnK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。3.2反应的动力学

动力学研究是解决反应历程问题的有力工具，其目的是为了在反应物和催化剂的浓度以及反应速度之间建立定量关系。反应速度是反应物消失的速度或产物生成的速度，反应速度随时间而改变，所以在讨论反应的真正速度时，通常用瞬间反应速度来表示。如果反应速度仅与一种反应物的浓度成比例，则反应物A的浓度随时间t的变化速度为：反应速度=-d[A]/dt=k[A]服从这个速度定律的反应称为一级反应。二级反应速度和两个反应物的浓度或一个反应物浓度的平方成比例：-d[A]/dt=k[A][B]

若[A]=[B]，则-d[A]/dt=k[A]2三级反应速度和三个反应物的浓度成比例-d[A]/dt=k[A][B][C]如果[A]=[B]=[C]，则-d[A]/dt=k[A]3

反应的动力学动力学数据只提供关于决定速度步骤和在它以前各步的情况，当有机反应由两步或两步以上的基元反应组成时，则反应速度定律的确定一般比较复杂，通过平衡近似和定态近似法等简化方法可求得反应的表观速度常数。动力学研究反应机理的常规顺序是：提出可能的机理，并把实验得出的速度律与根据不同可能性推导得到的速度律作比较。从而排除与观测到的动力学不相符的机理。动力学研究反应机理的局限性反应机理的动力学上相当和不能提供过渡态的结构方面的信息。对于某一反应，有关的几个机理可以推论出同一种速率方程，这些机理是“动力学上相当的”，所以只根据动力学是不可能作出选择的。3.3过渡态理论

假设一个反应先达到一个过渡态，然后从过渡态以极快的速度变成产物在一步反应的图中能量最高点是活化络合物(图a)，在它的左边，所有络合物都被认为同反应物处于平衡中；而在它右边，所有络合物则被认为是同产物处于平衡中。在双步反应的图b中

反应物和产物之间包括具有一定寿命的中间体I，因此,它包含有两个过渡态，而且第一个过渡态的ΔG1≠比第二个过渡态的ΔG2≠高,这意味着第一步反应应该是速率控制步骤。过渡态与中间体的区别。中间体位于两个过渡态之间的能量最低点，故有一定的存活期，实际的寿命依赖于凹陷的深度。下凹浅暗示下一步的活化能低，生存期短，下凹深中间体的生存期越长；而过渡态只有一个转瞬即逝的生存期，并代表反应途径中的能量极大值。在相同条件下，一个反应正向进行所经历的途径，也是逆向进行所要经历的途径，因为这个途径为这两个过程都提供了最低的能障。微观可逆原理：3.4哈蒙特假说

过渡态只能瞬时存在，其寿命基本上等于零，对过渡态不可能进行直接观察，因此关于过渡状态结构的知识，只能靠推论来得到。哈蒙特研究了将过渡态，中间体，反应物及产物关联起来的条件，这种有关过渡态结构的论述称为哈蒙特假说：对任何单一的反应步骤，其过渡态的几何形象类似于其内能与它的内能更接近的物种。3.5同位素效应和同位素标记在机理研究中常常用同位素效应和同位数标记来确定反应历程。3.5.1同位素效应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二级同位素效应。一级同位素效应：在决定速度步骤中与同位素直接相连的键发生断裂的反应中所观察到的效应,其值通常在KH/KD为2或更高。二级同位素效应：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。产生同位素效应的原因由于同位素具有不同的质量，因此具有不同的零点振动能（零点振动能与质量的平方根成反比），质量越大，零点振动能越低，对于一个涉及到与同位素相连的键断裂的反应来说，而在过渡态中振动不再造成能量上的差别，所以与质量大的同位素相连的键由于零点能低而就需要较高的活化能，从而表现为较低的反应速度。3.5.2同位素标记酯的水解反应，证明发生了酰氧裂解如果两个反应都是不可逆的，则由于C的形成较快，因此形成的量较多，这种产物我们称为动力学控制。如果反应为可逆的，则与上述情况不同，若反应在建立平衡以前能顺利地停止，则此反应为动力学控制，因而更迅速形成的产物较多。当我们令反应接近平衡，则B将成为占优势产物或唯一的产物，在这种条件下首先形成的C转变为A，而稳定性较大的B很少转变为A，产物为热力学控制。在许多情况中稳定性较大的产物也同时是形成较为迅速的产物，在这种情况下动力学控制产物也是热力学控制产物。a:过渡态的结构与反应物相似b:过渡态的能量比反应物和产物的能量都要大得多，不论是反应物或产物都不能作为过渡态结构的非常适宜的模型。c:过渡态的结构和产物类似，这个假说在许多反应中是不适用的，因为其过渡态与反应物及产物都不相似，只有证明两个物种（过渡状态与反应物或产物）的内能是相互接近的情况下，哈蒙特假说才有意义）。3.7反应中间体的鉴定反应中间体的鉴定是研究有机反应历程的关键。反应中间体可用分离中间体、“截留”中间体、光谱法、紫外-可见光谱法、红外光谱法、NMR共振、电子顺磁共振法等加以鉴定。有机反应活泼中间体碳正离子(carbocation)碳负离子(carbanion)自由基(freeradical)叶立德(ylid)卡宾(carbene)氮烯(nitrene)苯炔(benzyne)A.

碳正离子（Carbocations)具有正电荷的三价碳原子称为碳正离子。简单的烷基正离子为平面构型，以SP2杂化轨道与其它三个原子或原子团键连，有一个空的P轨道。例外:乙炔基正离子是线型结构，空轨道是Sp杂化轨道；苯基正离子是平面结构，空轨道是Sp2杂化轨道。利用X-ray和核磁共振的研究表明，三苯甲基正离子为螺旋浆结构，三个苯环成54°角。正碳离子的生成：1)直接离子化通过化学键的异裂而产生。2)对不饱和键的加成

3)由其它正离子转化而生成4)在超酸中制备C正离子溶液比100％的H2SO4的酸性更强的酸－超酸(Superacid)常见的超酸与100％H2SO4的酸性比较HSO3F（氟硫酸）1000倍HSO3F－SbF5（魔酸）103倍HF－SbF51016倍叔丁醇在下列条件下完全转变成叔丁基正离子：很多正碳离子的结构与稳定性的研究都是在超酸介质中进行的。碳正离子稳定性影响碳正离子稳定性的因素：电子效应、空间因素和溶剂效应电子效应：任何能够分散碳正离子上电荷的因素都能稳定碳正离子。可分为诱导效应、场效应、超共轭效应和共轭效应等。

a.诱导效应b.场效应：分子内部直接相连的原子或基团与反应中心之间通过空间或介质传递的电子效应。c.超共轭效应

d.共轭效应具有未共用电子对的氧、氮、卤素等杂原子，通过共轭效应稳定碳正离子。稳定碳正离子能力大小顺序：烯丙型正碳离子：p-π共轭电子离域正电荷分散程度大共轭体系的数目越多，正碳离子越稳定：当共轭体系上连有取代基时，供电子基团使正碳离子稳定性增加；吸电子基团使其稳定性减弱：CH2CH2CH2环丙甲基正离子的结构：空的p轨道与弯曲轨道的交盖环丙甲基正离子比苄基正离子还稳定：中心碳原子上的空的p轨道与环丙基中的弯曲轨道进行侧面交盖，其结果是使正电荷分散。随着环丙基的数目增多，正碳离子稳定性提高。直接与杂原子相连的正碳离子结构：氧上未共有电子对所占p轨道与中心碳原子上的空的p轨道侧面交盖，未共有电子对离域，正电荷分散。类似地，羰基正离子：乙烯型正碳离子：+C原子进行sp2杂化，p轨道用于形成π键，空着的是sp2杂化轨道，使正电荷集中。苯基正离子：结构同乙烯型正碳离子，正电荷集中在sp2杂化轨道上。此二类正碳离子稳定性极差。e.芳构化：碳正离子稳定性也可以通过芳构化来实现卓正离子具有芳香性，稳定性比三苯甲基碳正离子高1011倍。空间因素B-张力（backstrain又称背/后张力）是指碳原子上所连接的基团间的相互挤压作用。当中心碳原子连接四个大基团时，有时难以维持正常的键角，使分子能量增加，可排出一个基团形成碳正离子一解除B-张力。例如氯代烃在丙酮水溶液中解离地向对速率b.I-张力（internalstrain又称内张力）起因于环状化合物中四面体碳变成平面三角形时，环张力的变化。例如：室温下，氯代环烷烃在80%乙醇水溶液中水解速率如下：溶剂效应叔丁基溴离解成叔丁基正离子和溴负离子，在水溶液中需要84KJ/mol能量，在气相中进行需837KJ/mol能量。极性溶剂，不仅可以促进碳正离子的生成，而且可以稳定碳正离子。1)溶剂的诱导极化作用，利于底物的解离。空的p轨道易于溶剂化溶剂非经典碳正离子

Meerwein发现茨烯氯代物1可以重排为异氯代茨2反应的速率随溶剂介电常数的增大而加快，能与Ph3CCl形成离子复合物的金属氯化物如三氯化铝等可加速这一反应，从而推论反应是经碳正离子中间体。对这一反应的深入研究发现，反应速率是氯代叔丁烷的6000倍，为了解释这一不寻常的加速反应人们提出了反应经历了如5碳正离子中间体。5中正电荷离域在三个碳原子之间，能量比3和4都要低，因此反应速度加快。如中间体5，二电子三中心键的正电荷通过不在烯丙基位的双键或三键甚至单键而发生离域被称为非经典碳正离子。σ键参与的非经典碳正离子外型的光学活性的对溴苯磺酸-2-原冰片酯6在乙酸中溶剂解得到两个外型乙酸酯的外消旋混合物，无内型异构体生成。同烯丙基非经典碳正离子：同烯丙基非经典碳正离子中的荷正电的碳原子与双键之间有一个碳原子

外向和内向-降冰片烯基卤化物在水醇溶液中进行溶剂解得到同样产物（III）。外向化合物（I）比内向化合物（II）的溶剂解速度大约快10倍。Roberts认为在化合物（I）的离解作用中能发生背后的同烯丙基参与作用，而在化合物（II）中则不能发生这种同烯丙基参与作用。(a)

外向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道(b)

内向-5-降冰片烯基卤代物的溶剂解的过渡态的轨道π键参与的非经典正碳离子反式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解反应比相应的饱和化合物快1011倍，得到唯一产物反式乙酸酯，比顺式-7-降冰片烯基对甲苯磺酸酯的乙酸解速度快107倍。是由于反式产生了强有力的邻基促进而形成同烯丙基非经典碳正离子。

+2电子3中心体系123457在双环烯烃（V），（VI）和（VII）中较低级同系物的五员环比较高级同系物的五员环折叠程度更大，π键与展开的正电荷间的距离缩短，有利于背面参与作用。

1994年诺贝尔化学奖获得者奥拉

奥拉(GeorgeAndrewOlah)，美国有机化学家，1927年5月22日生于匈牙利布达佩斯的一位律师家庭，中小学打下扎实的知识基础。大学就读于布达佩斯技术大学(TechnicalUniversityofBudapest)，在GezaZemplen教授的指导下，从事有机化学方面的学习和研究，于1949年获得博士学位，时年仅22岁，从此正式步人有机化学生涯。1956年奥拉移居加拿大，在道化学公司(DowChemical)任资深化学研究员。1957年迁居美国，继续在该公司任职至1964年。1965—1977年奥拉在CaseWestern大学任教授，1977年至今，在南加利福尼亚大学(UniversityofSouthernCalifornia)任讲座教授，并为该大学的Locker碳氢化合物研究所创建人之一，现任所长。奥拉对碳正离子的早期研究工作是1957年开始的，碳正离子化学是有机化学中非常重要的组成部分。奥拉对碳正离子的研究贡献，不仅在实验方面，更重要的是他在1972年提出碳正离子的系统新概念。根据这个概念，所有碳正离子(Carbocation)分为两类：第一类是三配位碳正离子，中心碳原子为sp2杂化轨道称为Carbeniumion，即通常所称的经典式碳正离子如CH+3第二类为五配位(或更高配位)碳正离子称为Carboniumion，有人也称为非经典碳正离子。这类碳正离子不能用两电子、两中心的成键理论来解释，但可以用三中心(或多中心)、两电子的理论来解释，其中处于桥键位置的碳原子的配位数高于通常的价键数如CH+5。正是奥拉对碳正离子研究的贡献，他为此获得了1994年诺贝尔化学奖。此外，奥拉还把超强酸——碳正离子广泛用于研究碳氢化合物的新反应，开拓了在超强酸介质中进行许多有机化学反应的新领域。尤其是烷烃化学，在超强酸介质中，它可以进行氧化、卤化、硝化等反应，而且有很高的收率和很好的选择性，具有应用价值。奥拉对有机化学反应机理、合成方法、合成试剂等方面均有突出贡献。B.碳负离子(Carbanions)1.C-H的异裂（金属有机化合物的生成）负碳离子：带有一对孤对电子的三价碳原子的原子团。2.负离子对碳--碳双键或三键的加成碳负离子的结构109°28′sp3

杂化棱锥型90°sp2杂化平面三角型..简单的烷基碳负离子的中心碳原子可能为SP3杂化的角锥形构型，未共享电子对占据正四面体的一个顶点，如果孤对电子要和临近的不饱和原子团发生共轭，则为平面构型。SP3杂化的角锥形构型容易发生反转，反转是通过中心碳原子的再杂化，由SP3杂化转变为SP2杂化，最后达到平衡

轨道夹角为109°28′时，电子对间的排斥力小，利于负碳离子稳定。影响负碳离子稳定性的因素：1)s-性质效应2)诱导效应3)共轭效应4)

芳香性C.鎓内盐

鎓内盐(ylid)是指一种化合物，在其分子内含有碳负离子，和碳负离子相邻的杂原子带正电荷，这些杂原子为P、N、S、As、Sb、Se等磷鎓内盐的X光结晶结构研究表明，碳为平面结构，即为SP2杂化。鎓内盐较为稳定，与碳负离子相邻的带正电荷的杂原子基团，使碳负离子稳定性明显增大，这主要是由于碳原子的2P轨道与磷和硫杂原子的3d（或砷、锑的4d、5d）空轨道相互重叠，碳原子2P轨道的未共用电子对向3d空轨道共轭离域，从而使碳负离子稳定。

鎓内盐在有机合成中应用最广的是磷、硫叶立德，磷叶立德与羰基化合物反应合成烯就是著名的Wittig反应

D.自由基

自由基(Freeradical)也叫游离基，任何具有未配对电子的物质称为游离基。1900年Gomberg首次制得稳定的三苯甲基自由基，确立了自由基的概念。六苯乙烷为白色固体物质，当溶解于醚中时，溶液就呈黄色。若讯速地振荡，由于和空气接触而颜色消失，过几秒钟后黄色又出现，当再震荡时黄色又消失，此现象称为史米德林（Schmidlin）现象，反复15次，并从此溶液中分离出三苯甲基的过氧化物，熔点185℃

关于三苯甲基游离基的二聚体结构不是象冈伯格所提出的六苯乙烷结构，经核磁共振谱研究表明为醌式结构：游离基溶液的性质

（1）游离基溶液不遵守比尔(Beer)定律,溶液在稀释后颜色加深，按比尔定律溶液的颜色强度不因稀释而改变。（2）分子量和理论值不符合，用冰点降低法测定“六苯乙烷”的分子量时，发现它的平均分子量为477，而理论值为486。这表明“六苯乙烷”在溶液中部分离解为分子量较小的三苯甲基。（3）顺磁性：因为游离基都含有未配对电子，所以具有顺磁性，即在磁场中能被吸引。D.离子游离基

当金属钠和二苯甲酮在二甲氧基乙烷中反应时，得到兰色物质，为二苯甲酮负离子游离基的钠盐

离子游离基具有顺磁性和导电性，这是由于离子基分子内的未配对电子和离子键所引起的，多数离子基具有特殊颜色

E.碳烯

碳烯也叫卡宾(Carbene)，是具有两个共价键和两个非键电子的两价碳化合物活泼中间体。1.碳烯的结构碳烯的中心碳原子有六个价电子，四个价电子为成键电子，占用两个σ键，余下两个未成对电子有两种可能的排布方式。一是两个未成键电子同处一个轨道，其自旋方向相反，余下一个空轨道，这叫单线态(Singletstate)碳烯；另一种可能是两个未成键电子分别处于两个轨道，电子的自旋方向相同，这叫三线态(Tripletstate)碳烯。碳烯的结构电子光谱和电子顺磁共振谱研究表明：三线态亚甲基碳烯是弯分子，键角约为136°，单线态亚甲基碳烯也是弯的，H-C-H键角为103°。三线态结构中，未成键电子排斥作用小，能量比单线态低33.5-41.8KJ/mol，说明三线态碳烯比单线态稳定，是基态。在惰性气体中，单线态碰撞可变成三线态。1.碳烯的形成

(1)α-消去反应以碱处理卤仿，是制备二卤碳烯的一个方便的方法。(2)分解反应某些重键化合物如烯酮和重氮甲烷通过光解或热解即可生成碳烯。

烷基重氮化合物不稳定，易于爆炸，如果为羰基取代的重氮化合物则比较稳定，并且可以分离。

由醛或酮生成的腙通过氧化，再分解；或通过醛、酮的对甲苯磺酰腙的钠盐分解，可制备烷基取代的碳烯，而不用容易爆炸的重氮化合物作反应物。(3)三元环化合物的消去反应

可以看作是碳烯与双键加成的逆反应。取代环丙烷、环氧化物、偶氮环丙烷等。(4)Simmons-Smith反应

Simmons-Smith反应是形成环丙烷衍生物的好方法3碳烯的反应

碳烯是典型的缺电子化合物，它们的反应以亲电性为特征，是非常活泼、寿命极短的中间体。其反应活性的顺序为：∶CH2>∶CR2>∶CAr2>∶CX2。碳烯的典型反应主要有两类：π键的加成反应和σ键的插入反应。其反应的历程和结果很大程度上依赖于碳烯未成键电子的自旋状态的不同，即是单线态还是三线态。(1)加成反应

(50%)(50%)取代的烯烃与碳烯进行加成反应时，如果为单线态则服从亲电加成规律，烯烃双键电子密度越高，反应活性越大。如:CCl2与下列烯烃加成的相对反应活性：Me2C=CMe2>Me2C=CHMe>Me2C=CH2>ClHC=CH2。碳烯也可以与炔烃、环烯烃、甚至与芳环上的C=Cπ键以及C=N、C≡Nπ键进行加成反应。(2)插入反应

碳烯可以在C—H、C—Br、C—Cl和C—Oσ单键上进行插入反应，但不能在C-C键上进行插入反应。碳烯插入C-H间的活性是3°>2°>1°，分子间插入反应往往得一混合物，在有机合成上没有重要价值。碳烯也可以发生分子内插入，特别是烷基碳烯优先发生分子内插入。这对制备有较大张力的环状化合物具有一定意义。

(3)重排反应

碳烯可以发生分子内的重排反应，通过氢、烷基和芳基的迁移，得到更为稳定的化合物如烯烃等。其迁移难易顺序是H>芳基>>烷基。如芳基迁移的重排：沃尔夫（Wolff）重排

(4)二聚反应

二聚反应在一般条件下几乎不可能发生。但是，在闪光分解或温热的惰性介质中进行反应可以得到二聚反应产物。如苄基碳烯在气相加热的条件下，发生重排生成环庚三烯基碳烯，并立即二聚而稳定。F.氮烯

氮烯也叫氮宾或乃春(Nitrenes)，是缺电子的一价氮活性中间体，与碳烯类似。氮烯的N原子具有六个价电子，只有一个σ键与其它原子或基团相连，也有单线态和三线态两种结构。单线态氮宾比三线态氮宾能量高154.8KJ/mol。1氮烯的生成

生成氮烯的方法与碳烯类似：(1)热和光分解叠氮化合物、异氰酸酯等进行热解或光解，是形成单线态氮烯的最普通方法。

(2)α-消去反应以碱处理芳磺酰羟胺则生成氮烯一般认为Hofmann和Lossen重排反应也是属于经氮烯中间体进行重排的α-消去反应。

(3)氧化反应原则上，伯胺氧化可以生成氮烯，肼的衍生物以HgO或乙酸铅氧化可以形成氨基氮烯：(4)脱氧还原反应

硝基或亚硝基化合物用三苯基膦或亚膦酸酯等脱氧还原，可生成氮烯并进一步反应。

2.氮烯的反应

重键的加成和C—H键的插入是氮烯的典型反应。(1)插入C-H键氮烯可插入脂肪族化合物的C-H键，通常认为是单线态氮烯的典型反应，反应前后C原子的构型不变。特别是羰基氮烯和磺酰基氮烯易插入脂肪族化合物的C-H键。氮烯插入C-H间的活性也是3°>2°>1°，且氮烯也可以发生分子内插入。(2)与烯烃加成

与碳烯加成反应的立体化学特性相同。氮烯的基态也是三线态，通常氮烯生成后，由单线态逐渐转变为能量较低的三线态。

3.二聚反应

七