高等有机 第三章-有机反应机理和测定方法-1

第3章有机反应机理和测定方法

(Researchmethodoforganicreactionmechanisms)

2010秋1华东理工大学-王朝霞课件反应条件起什么作用？决速步骤是哪一步？副产物是如何生成的？

反应是如何开始的？产物生成的合理途径？经过了什么中间体？反应机理所要解决的问题目前关于反应机理的描述主要是根据一些实验结果及观察到的实验现象和模型而做出的合理的理论假设和判断。限于检测手段及理论研究的局限，迄今为止，尚未有一个反应机理被真正证明过。2010秋2华东理工大学-王朝霞课件研究反应机理的意义了解影响反应的各种因素，最大限度地提高反应的产率。发现反应的一些规律，指导研究的深入。依据的实验事实越多，则由此作出的理论解释越可靠。一个反应的历程应经得起实验事实的考验，并应有一定的预见性。2010秋3华东理工大学-王朝霞课件3.1有机反应机理和反应类型基本概念底物底物和试剂是相对而言的，一般把无机物看作试剂，把能转化为所需产物的有机物或能提供碳去成键的物质称为底物，有机反应机理包括从底物转化为产物的全过程。例：底物2010秋4华东理工大学-王朝霞课件异裂反应键的电子对在旧键断裂时留在一个碎片上的反应，多是包含有离子中间体的反应。XY→X++Y-

：：

亲核

亲电亲核试剂是电子对的给予体，它在化学反应过程中以给出电子或共用电子的方式和其他分子或离子生成共价键。亲电试剂是电子对的接受体，它在化学反应过程中以接受电子或共用电子的方式和其他分子或离子生成共价键，又称亲电体。2010秋5华东理工大学-王朝霞课件均裂反应键的电子对在旧键断裂时平均留在两个碎片上的反应，均裂反应包括自由基中间体过程。协同反应旧键断裂的同时新键也形成的反应。相同反应过程中无任何离子或自由基中间体存在。如SN2亲核取代反应，E2消除反应、Diels-Alder反应等。2010秋6华东理工大学-王朝霞课件反应类型按反应机理分类有机化学反应自由基反应离子型反应协同反应自由基加成自由基取代亲电加成亲电取代亲核加成亲核取代消除反应2010秋7华东理工大学-王朝霞课件按反应底物和产物的因果关系分类取代反应亲核取代亲电取代自由基取代加成反应亲核加成亲电加成自由基加成消除反应氧化还原反应有机化学反应2010秋8华东理工大学-王朝霞课件△G=△H-T△S=-RTlnK恒温恒压下，反应始、终态之间的焓变、熵变及自由能变化的热力学关系式为：△G为负值，反应可以自发进行。吉布斯自由能变化始终态间的焓变始终态间的熵变热力学第二定律3.2.1热力学热力学第一定律能量是不能创造和消灭的2010秋9华东理工大学-王朝霞课件焓(H)作为一个描述系统状态的状态函数，没有明确的物理意义，ΔH(焓变)表示的是系统发生一个过程的焓的增量，反映了反应物和产物之间的键能差。焓与焓变熵(S)是体系混乱度的量度，体系越混乱，熵越大。熵与熵变2010秋10华东理工大学-王朝霞课件△G是判断反应能否自发发生的必要条件。封闭系统在等温等压条件下可能做出的最大有用功即为吉布斯自由能的变化量。吉布斯自由能及能变对于放热(△H<0)和分子数增大(△S>0)的反应，△G必定小于0，在所有温度范围内都能自发进行；对于吸热(△H>0)和分子数减小(△S<0)的反应，△G必定大于0，在任何温度范围内都不能自发进行；对于放热(△H<0)和分子数减小(△S<0)的反应，只有∣△H∣>∣T△S∣

时，反应才能自发进行。△G=△H-T△S2010秋11华东理工大学-王朝霞课件△G解决的是化学反应的热力学问题，即反应进行的方向与程度问题△G=△H-T△S一个自发过程，随着过程的发展，△G的绝对值渐渐减小，过程的自发性渐渐减弱，直到最后，△G=0，达到平衡。过程自发,△G<0；过程不自发,△G>0；达到平衡态,△G=0。2010秋12华东理工大学-王朝霞课件K=[产物]:[底物]△G=△H-T△S=-RTlnK实际上，有机反应原则上都是可逆反应，反应达到平衡时，正向反应和逆向反应的速率相同，平衡点的产物浓度和底物浓度之比称为平衡常数K。2010秋13华东理工大学-王朝霞课件动力学：解决反应进行快慢的问题，对反应速率的处理研究主要有碰撞理论和过渡态理论两种学说。3.2.2动力学碰撞理论基本假设：分子为硬球型；反应分子A和B必须碰撞才能发生反应；只有那些能量超过普通分子的平均能量且空间方位适宜的活化分子的碰撞，即“有效碰撞”才能起反应。2010秋14华东理工大学-王朝霞课件K=A·e-E活/(RT)Arrhenius方程式碰撞和空间因素反应分子必须具有的活化能碰撞理论认为：反应速率取决于产生必要碰撞的频率，分子或离子为了进行反应必须相互碰撞，除了空间因素或碰撞的方向外，碰撞的分子还必须有足以引起反应的活化能才能反应。2010秋15华东理工大学-王朝霞课件过渡态理论除了自发反应外，反应过程中总是存在一个能垒，一个基元反应的反应物先要到达能垒的顶峰变成活化配合物（或活化过渡态TS）后才成为中间体或产物。2010秋16华东理工大学-王朝霞课件无中间体过程的反应进程和能量的关系一步放热反应一步吸热反应活化能△G≠是反应要发生时必须克服的能垒，它与反应的自由能变化△G是两个并不相干的能值。对放热反应，活化能>0;

对吸热反应，活化能>反应热2010秋17华东理工大学-王朝霞课件反应物还可以经两步转变为产物（经过两个过渡态），中间可瞬时生成具有一定稳定性的中间体。有一个中间体过程的反应进程和能量的关系不折回点2010秋18华东理工大学-王朝霞课件微观可逆性原理根据过渡态理论，正反应为基元反应，其逆反应也必为基元反应，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。过渡态：反应物转变为产物的中间状态，（推测的）势能最高处的原子排列，寿命=0，无法测得。中间体：反应中生成的寿命较短的分子、离子或自由基，中间体一般很活泼，但可通过实验方法观察到。对比2010秋19华东理工大学-王朝霞课件A—B+C———（Ⅰ）ABC—（Ⅱ）ABC—（Ⅲ）ABC→A+B—C过渡态结构反应过程中过渡态结构大致分为三种类型：2010秋20华东理工大学-王朝霞课件哈蒙特(Hammond)假说哈蒙特研究了过渡态，中间体，反应物及产物间的关系：对任何单一的反应步骤，其过渡态的几何图形与自由能更接近的那一边类似。只有证明过渡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。2010秋21华东理工大学-王朝霞课件2010秋22华东理工大学-王朝霞课件根据过渡理论，过渡态转变为中间体或产物时的速率极快，反应物和过渡态间存在一个平衡常数K≠。△G≠=△H≠-T△S≠=-2.303RT㏒K≠

△G≠越大，K≠越小，所以△G≠决定了反应的快慢。△G≠与温度有关，通常温度每升高10℃反应速率增加一倍。一般△G≠<40KJ·mol-1时，反应进行较快，而△G≠>120KJ·mol-1时，反应进行很慢。它符合下列关系：[T.S.][A][B]K≠=A+BT.S.C2010秋23华东理工大学-王朝霞课件3.3有机反应的热力学控制和动力学控制CAB在一定反应条件下，一个从同一反应物出发的反应可能由于竞争反应而产生不同产物，此时应分析出生成目的产物途径的诸因素，以便控制反应条件，使反应趋向目的产物而获得最佳收率。2010秋24华东理工大学-王朝霞课件如果两个反应都不可逆，则速率快的反应生成的产物多，即C的产量较多。这种反应产物的比率决定于反应速率的过程称之为动力学控制。活化能低，反应快。2010秋25华东理工大学-王朝霞课件反应可逆时，当反应平衡完全建立后产物的比例取决于它们的相对热力学稳定性的大小，称为热力学控制或平衡控制的反应。对上述反应，接近平衡时B将成为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。内能低，热力学更稳定2010秋26华东理工大学-王朝霞课件有机反应通常较慢，常常在建立平衡以前就终止反应分离产物了，所以得到的一般总是动力学控制的产物较多。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，此时动力学控制产物也是热力学控制产物。2010秋27华东理工大学-王朝霞课件1,2-加成1,4-加成－80oC80%20%80%20%40oC40oC例：提示：低温时：

1,2-加成产物易生成（活化能较低），是由反应速度决定的产物（动力学控制）。1,4-加成不易进行（活化能较高）。加热时：1,4-加成为主要产物（达到平衡时比例高），说明较为稳定。是由稳定性决定的产物（热力学控制）低温产物比例加热后变化：1,4-加成产物较稳定，反应可逆。2010秋28华东理工大学-王朝霞课件烯丙型碳正离子机理2010秋29华东理工大学-王朝霞课件1,4-加成产物生成较慢，解离也较慢。1,2-加成产物生成较快，解离也较快。2010秋30华东理工大学-王朝霞课件2010秋31华东理工大学-王朝霞课件例：可利用反应条件来控制反应过程，低温条件有利于动力学控制的过程，即易于进行C(6)上的去质子反应；在较高的温度下反应则易于达到平衡的热力学控制的过程，即易于进行C(2)上的去质子反应。2-甲基环己酮动力学控制热力学控制2010秋32华东理工大学-王朝霞课件例：上面的反应得到的热力学控制和动力学控制产物的方向是一致的，即最快生成的主产物也是最稳定的产物，占的比例也多。2010秋33华东理工大学-王朝霞课件反应机理合理性原则提出的机理应明确解释所有已知的事实，同时又尽可能简单，易于重复和证明。基元反应应是单分子或双分子的，通常情况不必考虑三个分子以上的其他反应。机理中每一反应步骤在能量上是允许的，化学上则是合理的，合乎通用性的一般规则，如正性部分总是和负性部分结合。机理要有一定的预见性，当反应条件或反应物结构变化时，应能对新反应的速率和产物变化作出正确的预测。2010秋34华东理工大学-王朝霞课件反应机理的研究步骤提出一个与已有实验事实及理论知识相符的假设。设计并进行实验以检验所提出的历程假设。根据实验结果对假设进行修正或推断。通常上述步骤要重复多次。对同一实验的解释可能有多种选择，与试验事实相符的反应机理也可能不止一条，为此要认真细心、去伪存真、反复推敲，以得到较为满意又令人信服的机理历程。2010秋35华东理工大学-王朝霞课件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动力学研究等2010秋36华东理工大学-王朝霞课件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2010秋37华东理工大学-王朝霞课件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。2010秋38华东理工大学-王朝霞课件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。2010秋39华东理工大学-王朝霞课件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？2010秋40华东理工大学-王朝霞课件Claisen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2010秋41华东理工大学-王朝霞课件通过中间体离析研究得到反应机理的实例很多。2010秋42华东理工大学-王朝霞课件二、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。2010秋43华东理工大学-王朝霞课件三、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。2010秋44华东理工大学-王朝霞课件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。2010秋45华东理工大学-王朝霞课件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。2010秋46华东理工大学-王朝霞课件利用D标记的最典型例子是苯甲醛的Cannizzaro反应机理研究。2010秋47华东理工大学-王朝霞课件利用氚（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。2010秋48华东理工大学-王朝霞课件利用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。2010秋49华东理工大学-王朝霞课件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。2010秋50华东理工大学-王朝霞课件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1～72010秋51华东理工大学-王朝霞课件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2010秋52华东理工大学-王朝霞课件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。2010秋53华东理工大学-王朝霞课件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:2010秋54华东理工大学-王朝霞课件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2010秋55华东理工大学-王朝霞课件2-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2010秋56华东理工大学-王朝霞课件＋、－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：2010秋57华东理工大学-王朝霞课件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。2010秋58华东理工大学-王朝霞课件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2010秋59华东理工大学-王朝霞课件反式消除醋酸酯的热解消除则与此相反。顺式消除2010秋60华东理工大学-王朝霞课件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