03 有机反应机理研究解析

CH3
b) 捕获中间体 1975年有人用2,2,6,6-四甲基氢化吡啶锂使氯苯变为苯炔, 用2,5-二甲基呋喃将形成的苯炔捕获, 证明了苯炔的形成。
CH3 Cl H3C
LiTMP +
O H3C CH3
THF,
O
c) 中间体的检出
目前，可以用NMR、IR、Raman、核磁共振等光谱进
行反应的实时检测。甚至要求很高的无水无氧的金属有机反 应也可以在核磁管中进行。例如用Raman光谱检出NO2+的 存在, 是苯硝化反应中有此中间体的强有力的证明。


动力学数据只提供关于决速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，则反应速率的确定比较复杂，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率常 数。
动力学研究反应机理的常规顺序是：提出可
能的机理，并把实验得出的速率与根据不同 可能性推导得到的速率作比较。从而排除与 观测到的动力学不相符的机理。 局限性 反应机理动力学上的“相当”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。
产物的质谱所显示的相对分子质量区别是由于分子中 含有14C。结果表明产物分子有4种存在形式，产物的几率 相等，各占25%，即说明重排是分子间的反应。
5. 立体化学

立体异构包括旋光异构和顺反异构。 旋光异构研究 如：某旋光性的卤代烷碱性水解产物发生了构型转化 证明发生的是SN2历程；
苯甲酸(R)- 2 -丁酯水解生成(R)- 2 -丁醇
则需要对所提出的历程进行修正。
3.1 有机反应机理及有机试剂的类型

有机反应机理的类型
a. 根据键的断裂及形成方式分为： （1）离子反应 （2）自由基反应 （3）分子反应（周环反应或协同反应） b. 按原料与产物间关系分为： 取代反应（亲电、亲核、自由基）, 消除反应, 加成反 应（亲电、亲核、自由基）, 重排反应（缺电子体系、富 电子体系、自由基），氧化、还原以及几种结合的反应。
如果猜测的中间体能用其他方法得到, 则用这中间体化 合物在相同的反应条件下应得到同样的产物。如果没有得到 同样的产物, 则所猜测的中间体是不正确的。但得到同样产 物并不意味着反应机理就确信无疑, 因为可能会是一种巧合。 例如
Br
In/H2O PhCHO
In
PhCH HO
中间体会不会是
3
？
制备这个化合物, 再在水中与PhCHO反应来验验！加拿 大的华人化学家陈德恒教授的研究小组后来用NMR和制备等 In 方法证明中间体是一价铟化合物
7. 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 率之间建立定量关系。 反应速率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。 如果反应速率仅与一种反应物的浓度成正比，则 反应物A的浓度随时间t 的变化速率为： 反应速率=-d[A]/dt=k[A] 服从这个速率公式的反应称为一级反应。
Cl
KNH2/NH3
NH2
NH2
+
酯化反应机理的证明：
O C6H5C-OH + CH3O18H
H
+
O C6H5C-O18H + H2O
该反应机理已被： ①同位素跟踪实验 ②羧酸与光活性醇的反应实验所证实。
O CH3C-OH + H-O CH3 H (CH2)5CH3 O CH3C-O CH3 H (CH2)5CH3
证明水解是酰氧键断裂。

顺反异构研究 如：环己烯和KMnO4/碱性条件下得顺式产物； 环己烯和Br2的反应得反式产物。
OH
CH3 C C H
CH3 C C H
CH3 H
H CH3
KMnO4 OH- H2O
H H OH
OH
CH3 CH3
(2S,3R)
内消旋体
OH
KMnO4 OHH2O
CH3 H OH
O CH3C-O18H
O18
+ (CH3)3COH
CH3C-OC(CH3)3 + H2O
(3 ) 酰基正离子机理
O C-OH CH 3
CH 3
H2SO4(浓)
CH 3
O + C-OH2 CH 3
CH 3
O +C CH 3
+O
CH 3
C CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
属于SN1机理。
O H C-OCH3 + CH 3 O C-OCH3 CH 3
CH 3
-H+ CH 3
CH 3
CH 3
78%
仅有少量空阻大的羧酸按此反应机理进行。
★ 交叉实验
在重排机理的验证上经常用到。如：Fires重排反应 如将用14C同位素标记的化合物A与普通的化合物B的 混合在一起加入AlCl3进行反应。
* O C CH3 * CH3 A O O CH3 O C CH3 B
有机反应中试剂的分类
a. 自由基试剂：具有奇数电子的试剂
b. 离子试剂：具有偶数电子的试剂
（1）亲核试剂：反应过程中供给电子的试剂。
包括：阴离子、含未共用电子对的物质、烷基金 属、还原剂等。
（2）亲电试剂：反应过程中接受电子的试剂。 包括：阳离子、可接受共用电子对的物质、酸类、 卡宾、氧化剂等。



二级反应速率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] 如果[A]=[B]，则： -d[A]/dt= k[A]2
三级反应速率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
3.2 确定反应机理的方法
1 产物的鉴定 2 中间体的确定(分离,捕获,合成) 3 催化作用 4 同位素标记 5 立体化学 6 化学动力学 7 化学热力学 8 同位素效应

1. 产物鉴定 机理本身就是为说明产物是如何从起始物变来的, 所以 一个机理提出后, 必须要能说明得到的全部产物以及它们之 间的相互比例, 包括付产物。 例如
H CH3 +
H CH3 OH
CH3 H
顺式加成的历程
(2S,3S) 50%
(2R,3R)
外消旋体
50%
反式加成
构型翻转
其他实例：P54: 第2题。
6. 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。
H+
酯化反应的机理
(1 ) 加成--消除机理
双分子反应一 步活化能较高
O CH3C-OH
+
H
+
OH
CH3C-OH
HOC2H5
OH CH3-C-OH HOC2H5
+
质子转移
按加成--消除机 理进行反应，是 酰氧键断裂
加成
四面体正离子
+
OH CH3-C-OH 2
+
-H2O
OH
CH3C-OC2H5
-H+
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。
判断合理机理的基本原则
1、提出的反应机理应明确解释所有已知的实验事实，同时
应尽可能简单。
2、基元反应（没有中间体，只有过渡态）应是单分子或双 分子的。（通常不必考虑涉及三分子的其他反应）
3、机理中的每一步在能量上是允许的，化学上是合理的。
HNO3 + 2H2SO4
2HNO3
HNO3 H2SO 4
NO2+ + H3O+ + 2HSO4
NO2+ + NO3 + H2O
NO2 + H2O
1HNMR证明下述反应为邻基参与，存在苯桥正离子。
HOAc CH2CH2OTs
+
H2C
CH2
CH2CH2OAC
反应为：邻基 参与历程！
d) 猜测中间体的验证
4、机理应有一定的预见性。当反应条件或反应物结构变化 时，应能对新反应的速度和产物变化作出正确的预测。
研究和确定一个新的有机反应历程的步骤：
(1) 提出一个与已有的实验结果及理论相符合的可能的
反应历程；
(2) 通过实验来验证所提出的历程。 (3) 如果新的实验结果与提出的历程相符合，即可对 最初提出的历程加以肯定。如果新的实验结果与假设 的历程不相符合，则需重新提出历程。如果部分符合，
3. 催化剂 催化剂能加速或阻止一个反应的进行, 可暗示其反应机理。 例如能被过氧化物加速的应为自由基机理, 被酸催化就可能是 正离子中间体, 被碱催化则可能有负离子中间体。
4. 同位素标记
酯的水解反应，证明发生了酰氧裂解。
O R C OR’ + H2O18 OHR O C O18H + ROH
氯苯在KNH2/NH3中反应，证明生成苯炔中间体。
O CH 3C-OC2H5
OC2H5 消除
1OROH，2OROH酯化时按加成--消除机理进行， 且反应速率为：