第五章 有机化学反应机理研究

（4）可疑反应活性中间体的否定 对于可疑的活性中间体，若能用其他方法得到，那 么在同样条件下应该得到同样的产物，这种方法可以提 供结论性的否定证据：如果得不到同一产物，既可以断 定可疑中间体并非反应活性中间体；但是若得到了同一 产物，还或许是巧合产生的，故不能作为结论性证明。
C.同位素标记
在机理研究中常常用同位素效应和同位素标记来确定反 应历程
（2）反应活性中间体的检测 有许多反应活性中间体因寿命较短，不能分离，但是可以 用一些物理方法如IR，NMR，UV-Vis等检测其存在。 能够用光谱检测也必须满足2个条件： a.活性中间体的浓度能满足检测需要； b.有足够长的寿命，并能吸收适当的放射。 （3）反应活性中间体的捕获
有些非常活泼、浓度很低的活性中间体，既不能分离， 又不能被波谱方法检测，可以相反应体系中加入一种可以与 中间体反应的化合物（捕获试剂），于是正常的反应路线呗 阻断或与捕获试剂进行平行反应，同时生成新产物，后者往 往能够被分离或检测。
快
说明决速步骤与C－H键断裂无关
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，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 零点能低需要较高的活化能，从而表现为较低的反应速率。 显著的同位素效应表明：在过渡态中与同位素相连的 键正在断裂，同时它的大小定性的指出过渡态相对于产物 和反应物的位置，一级同位素效应比较低，表明过渡态相 当接近于产物或反应物；而较大，证明过渡态中氢与它原 来成键的原子和它新成键的原子都有强的成键作用。
例
CH4 + CD4
Cl2 hv CH3Cl + CD3Cl
1
:
1
>> 1
C-H断裂所需的活化能比C-D断裂所需的活化能小，因此 C-H的反应速率比C-D键反应速率要大。说明决速步骤与 C-H键的断裂有关，否则kH/kD为1:1
多数芳烃亲电取代反应不存在同位素效应， E kH/kD为1:1 。
+ E+ 慢 + H E + H+
5.研究表征反应中间产物或活性中间体的方法，利用计算机技 术模拟反应过程的物质及能量变化；等等
四、有机化学反应机理的特点：
1.反应机理是在大量的实践及理论研究的基础上建立起来的， 是有机化学中“最高层次”的研究； 2.一个好的反应机理，不仅要能够完全解释已经得到的试 验事实，而且要对未来可能发生的试验现象给出合理的预 测
（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。
反应级数往往与反应分子数有关
一级反应速率： 二级反应速率： 由反应动力学级数
设计并进行实验，检验假设；
如果新的实验结果与假设相符，在假设中所有可供检验因素 均已被实验证实后，对假设做出推断，可作为该反应的机理； 显然该机理要能解释得到的所有产物及其有关性质，包括由 副反应形成的产物在内； 如果新的实验结果与假设不符，可重新提出假设。
2.反应机理的研究方法
A.反应产物和副产物的鉴定
H2O
OH CH3 CH CH CHO H
OH-, H2O
CH3CH=CH CHO
2.研究反应过程及各步骤中的能量变化及动力学特征，并用反 应进程曲线描述反应的整个过程
[A…B…C]
位 能
A+B-C
E活
E'
E'
逆反应的活化能
反应物
ΔH
A-B+C 产物
反应进程
3.研究反应过程中可能发生的多个反应方向，副产物的种类和相 对含量；
二、有机反应机理研究的可能性与必要性
可能性：有机化学反应的典型特点是反应速度比较慢，正是这 一点为有机反应机理研究提供了可能性，使人们可以通过一定 的手段，观察或计算有机物变化的方向和细节。 必要性： a.人们需要知道某一类型或某一环境的化学键断裂的方式和难 易，这将为正确判断类似键的反应特点提供重要的参数； b.一种有机物经历化学反应时，往往存在多种反应方向，得到多 种反应产物；而人们出于不同 的需要只希望得到其中的一种 或其中一种占有绝对的比例。这是通过反应机理研究可以为人 们控制反应方向提供重要的依据； c.通过反应机理研究，人们可以详细了解影响反应的各种因素， 确定反应的最佳工艺条件 d.反应机理研究为人们开发新的反应类型，得到新物质奠定了基 础。
F.溶剂效应 G.催化作用
六、基础有机化学中典型的反应类型
（1）同位素效应 当反应底物中的一个原子被它的同位素取代后而造成速率 上的不同的现象称为同位素效应。 最常见的同位素效应是用氘来代替氢 。 利用此效应可标记决速步骤 一级同位素效应：在决速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KH/KD值通常为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 KH/KD值通常在0.7 - 1.5范围内。
CH3
δδ CH CHCH2CH3
+
CH3 CHCH2CH2CH3 H+ CH3CH2CHCH2CH3
3α －H
2个α —H
Br Br
-
CH3CHCH2CH2CH3 主要 CH3CH2CHCH2CH3 Br
次要
4.研究温度、溶剂、酸碱度、其他试剂等反应条件对反应方向、 反应速度等方面的影响，实现对反应的控制
3.限于检测手段及理论研究的不能完全满足机理研究的需 要，目前多数机理中的许多环节尚未完全得到充分证明， 所描述的机理有理论上的假设和人为的推测。但这种假设 和推测不能违背第二点
4.反应机理对于应用化学诸科学的发展发挥着非常重要的作用
五、反应机理的研究方法
1.反应机理的一般研究步骤
对一个反应提出理论假设：在已有的实验事实基础上并与现 有理论相符；
D.立体化学证据 烯烃的加成：溴、稀冷高锰酸钾 自由基反应：外消旋化 SN1 SN2
E.反应热力学和动力学证据
（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程度？一般来说，任何 体系都有转变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，平衡愈 移向产物一侧 要是反应发生，产物的自由能必须低于反应物的自 由能，即△G必须是负值
三、反应机理研究的主要内容
1.研究反应按照何种方式进行？反应过程需要经历哪些主要 的步骤？会出现哪些活性中间体或过渡态？ 有机化学反应中通常出现的活性中间体包括：碳正离子、碳 负离子、自由基、卡宾等。
H CH2 O OH C H O
-
OCH2=C H
O CHCH CH2 CHO
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。
-d[A] = k[A] dt
-d[A] = k[A][B] dt
哪些分子、有多少分子 参与决定速率的步骤
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。
第五章 有机化学反应机理研究
有机反应分类
反应中间体：离子反应、自由基反应、氧化还 原反应、协同反应 化学键变化：取代反应、加成反应（包括周环 反应）、消除反应、氧化还原反应分子重排反应 能量变化：动力学、热力学
一、有机化学反应机理的概念
有机化学反应机理：对有机化合物反应过程的详细描述；
即用一系列化学方程、相关数据、曲线表示一个有机化 学反应中化学键断裂、形成的位置、方式、不同的反应 方式和方向及其与之相对应的能量变化等。 有机化学反应机理研究属于有机化学的一个重要 分支，是有机化学从定性走向定量的主要基础。
B.反应活性中间体的研究
在许多反应过程中会出现一个或多个反应活性中间体， 它们稳定性不同，有的可以分离，大多数中间体非常活泼， 无法分离。中间体的确认，可为反应机理提供最有利的证据
（1）反应活性中间体的分离 在反应活性中间体具有一定的稳定性，可在低温下 或其他可控制的条件下使反应停留在中间体阶段一定时间 而不立即变为产物，以适当的手段将中间体分离出来。